Понятие о биосфере. Вещество: живое, костное, биокостное, биогенное

Биосфера – область активной жизни, в которой живые организмы и среда их обитания органически взаимосвязаны и образуют целостную динамическую систему.

Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.

Два главных компонента биосферы: сами живые организмы и среда их обитания – непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесной, органическом единстве,

Отдельные живые организмы, как правило, не существуют изо­лированно. В процессе своей жизнедеятельности они соединя­ются в различные системы (сообщества).

Говоря о принципах существования биосферы, В.И. Вернад­ский прежде всего уточняет понятие и способы функционирова­ния «живого вещества». Живое вещество есть совокупность организмов, участвующих в разнообразных гео­химических процессах. Организмы усваивают из окружающей сре­ды химические элементы, строящие их тела, и возвращают их в процессе жизни и после своей смерти в ту же самую среду. Таким образом, и жизнь, и «косное вещество» находятся в непрерывном, тесном взаимодействии, в бесконечном круговороте химических элементов. При этом живое вещество служит основным систе­мообразующим фактором и связывает биосферу в единое целое.

1. БИОСФЕРА (от био... и сфера), область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы (высота до 20-25 км), гидросферу и верхнюю часть литосферы (глубина до 2-3 км). В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин "биосфера" введен в 1875 австрийским ученым Э. Зюссом. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба, создано В.И. Вернадским (1926). Учение о биосфере оказало огромное влияние на развитие многих наук в 20 в. и особенно на понимание и решение проблем, связанных с взаимоотношением природы и общества.
2. ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО — совокупность живых организмов биосферы, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии. Понятие введено В. И. Вернадским в его учении о биосфере и роли живых организмов в круговороте веществ и энергии в природе.
3. БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО — вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов, например, уголь, нефть, битумы, известняки и пр.
4. Биокосное вещество — по В.И. Вернадскому это вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами и является закономерной структурой из живого и косного вещества. Биокосное вещество характерно для почвы, фактически все поверхностные слои Земли есть результат преобразования биокосного вещества.
5. ВЕЩЕСТВО КОСНОЕ, по В. И. Вернадскому (1965), вещество, образуемое процессами, в к-рых живое, вещество не участвует (продукты тектонической деятельности, метеориты и др.). Часто вместо В. к. употребляют термины “минеральные элементы”, “неорганическое вещество”, “абиогенное (абиологическое) вещество”.
6. Биосфера — централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство всесторонне раскрыто В. И. Вернадским, но, к сожалению, часто не дооценивается человеком и в настоящее время: в центр биосферы или ее звеньев ставится только один вид — человек (антропоцентризм). Биосфера — саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам, и справлялась с ними (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразование и т. п.) благодаря действию гомеостатических механизмов и, в частности, принципа, который в настоящее время носит название Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Геохимические функции живого вещества:

Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций.

1. Кислородно-диоксидуглеродная – создание основной массы свободного кислорода на планете. Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением зелеными растениями углекислого газа.

2. Диоксидуглеродная, не зависимая от кислородной – образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода.

1. Озонная и пероксидводородная – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана.

1. Азотная – создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях как суши, так и океана.
2. Углеводородная – осуществление превращений многих биогенных газов, роль которых в биосфере огромна. К их числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных.

Деструктивная функция Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений, химическое разложение горных пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

1. Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы.
2. Средообразующая функция Живое вещество преобразует физико-химические параметры среды в условия, благоприятные для существования организмов. В этом проявляется еще одна главная функция живого вещества — средообразующая. Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом. Можно сказать, что средообразующая функция - совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота (в ходе фотосинтеза растения выполняют газовую функцию: поглощают углекислый газ и выделяют кислород); деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов. Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе человека.
3. Энергетическая функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников. Главным источником для биосферы является Солнце. По сравнению с Солнцем, энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу). Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы.

Биогенная миграция.

В. И. Вернадский ввел понятие о живом веществе-совокупности живых организмов, выраженной в единицах массы и энергии. Изучение геохимической деятельности живого вещества служит предметом биогеохимии. Область активной жизни на Земле наз. биосферой, где организмы преобразуют солнечную энергию в энергию геохимических процессов. Главный ее источник-биохимические процессы фотосинтеза и разложения органических веществ, в ходе которых в окружающую среду выделяются О2, СО2 и др. химически активные соединения. Непрерывное поступление энергии определяет неравновесность биосферы и ее частей-почв, илов, подземных вод и др.

Первый биогеохимический принцип В.И. Вернадского: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Второй биогеохимический принцип В.И. Вернадского: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

1. Первичная атмосфера Земли - (содержащая - в равновесии с океаном - водяные пары, CO2 , CO , CH4 , NH3 , H2S и инертные газы, и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой, и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия (15 градусов С).
2. Абиогенный синтез — образование органических соединений, характерных для живой природы, вне организмов и без участия ферментов, в результате химических реакций между неорганическими веществами.
3. Предбиологический отбор

Первыми катализаторами были простейшие соединения, соли железа, меди, других тяжелых металлов, но их действие было очень слабым. Постепенно на основе предбиологического отбора эволюционно формировались биологические катализаторы. Из огромного количества химических соединений, присутствующих в "первичном бульоне", отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул. На определенном этапе эволюции простые катализаторы были заменены ферментами. Ферменты контролируют строго определенные реакции, и это имело огромное значение для совершенствования процесса обмена веществ.

1. Коацерваты, коацерватные капли, мелкие частицы, имеющие вид тонких пластин от 5 мкм до нескольких мм, образованные из органич. макромолекул на первоначальной стадии перехода от неживой материи к живой; в гипотезах о происхождении жизни — праорганизм; т. н. период коацерватов был одним из начальных периодов биогенеза
2. Гетеротрофы — организмы, использующие для питания исключительно или преимущественно органические вещества, произведенные другими видами (автотрофами), и неспособные синтезировать вещества своего тела из неорганических веществ. К гетеротрофам относятся все животные, паразитарные растения, грибы и подавляющее большинство микроорганизмов. Различают три типа гетеротрофного питания: сапрофитное, галозойное и паразитное
3. Автотрофы — организмы, синтезирующие из неорганических соединений органическое вещество с использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях. Автотрофы служат в биосфере Земли продуцентами органического вещества.
4. Анаэробы — организмы, способные жить в бескислородной среде. Анаэробы получают необходимый для жизни кислород посредством расщепления кислородсодержащих органических соединений
5. Аэробы — организмы, способные жить только в среде, содержащей свободный молекулярный кислород. К аэробам относятся почти все животные и растения, а также многие грибы и микроорганизмы
6. Прокариоты — древнейшие организмы. Прокариоты не обладает четко оформленным ядром с оболочкой и типичным хромосомным аппаратом. Наследственная информация передается и реализуется через ДНК. Прокариоты размножаются делением без выраженного полового процесса. К прокариотам относят вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и др.
7. Эукариоты — высшие организмы, четко оформленные ядра которых обладают оболочкой, отделяющей их от цитоплазмы. Эукариоты включают царства: грибы, растения и животные.
8. Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.
9. Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Исторические концепции происхождения жизни:

7. Креационизм- (от англ. creation — создание) — философско-методологическая концепция, в рамках которой основные формы органического мира (жизнь), человечество, планета Земля, а также мир в целом, рассматриваются как намеренно созданные неким сверхсуществом или божеством. Последователи креационизма разрабатывают совокупность идей — от сугубо богословских и философских до претендующих на научность, хотя в целом современное научное сообщество относится к таким идеям критически.

8. Гипотеза панспермии (греч. panspermía— смесь всяких семян, от παν (pan — весь, всякий и σπερμα (sperma)— семя)— гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких «зародышей жизни».

9. Биохимическая эволюция

Полагают, что в те времена атмосфера была совершенно не такая, как теперь. Легкие газы - водород, гелий, азот, кислород и аргон - уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие (среди прочих) эти элементы, должны были удерживаться; к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор пока температура Земли не упала ниже 100°С, вся вода, вероятно, находилась в парообразном состоянии.

10. Постоянное самозарождение

Уже на ранних стадиях своего развития человечество начало задаваться одним из важнейших философских вопросов: вопросом о происхождении всего живого на земле. Наши древние предки начали с того, что находили решение этого и подобных ему вопросов в такой мировоззренческой форме, как религия. Их примитивные представления о происхождении жизни давали ответы практически на все возникающие вопросы. Однако с появлением зачатков научного и эмпирического знания взгляды на решение этих вопросов стали меняться. Сейчас ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что все живые существа на Земле возникают путём рождения от себе подобных. Но прежде чем прийти к признанию этой, казалось бы, неоспоримой истины, человечество проделало долгий и трудный путь ошибок, заблуждений и величайших научных открытий.

11. Стационарное состояние

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание

Итог

Учение о биосфере:

Жизнь на Земле, представленная огромным количеством организмов (более 500 тыс. видов растений и 1,5 до 2 млн. видов животных) произвела глубочайшие изменения в обмене планеты.

Начало биосферы – появление жизни на Земле. Совершенствуясь и распространяясь, живые организмы принимают участие в перераспределении энергии и вещества на Земле – выделяя кислород и углерод.

Растения, ассимилируя углекислый газ, привели к созданию атмосферы, содержащей свободный кислород, который является не только активным химическим элементом, но и источником озона, преграждающего путь к Земле ультрафиолетовых лучей.

Углерод, связанный в растениях, образовал запас органических соединений.

Растительный покров изменил коэффициент (альбедо) отражения суши для отдельных участков солнечного спектра. Образование осадочных пород в мировом океане привело к изменению свойств земной коры.

Все эти изменения привели к образованию биосферы, где развертываются и продолжаются жизненные явления. В биосфере живое вещество и среда обитания органически связаны, взаимодействуют друг с другом, образуя целостную систему.

По определение В. И. Вернадского биосфера — область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

В биосфере живые организмы (живое вещество и среда обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом). При этом образуется целостная система. Впервые термин использовался в 1911 г.

Докучаев первым стал рассматривать соотношение между живыми организмами, минералами и растениями, рассматривая процессы почвообразования и обращая внимание на взаимодействие абиогенных и биогенных факторов в этом процессе.

Вернадский выделил следующие особенности биосферы:

1. она представляет собой оболочку жизни, область существования живого;

2. можно рассматривать, как область земной коры, занятая трансформаторами,преобразователями космического излучения в земную энергию, тепловую, химическую;

3. биосфера является ведущим фактором преобразования лика Земли, ускоряет химические реакции + преобразует окружающую среду

4. неравновесность (работа живого вещества и солнечной энергии).

5. Принцип Бауэра, об устойчивости неравновесности систем, действует в биосфере в целом (например, газовый состав атмосферы, солевой состав океана).

6. обводненность. В воде всегда существует жизнь; содержание воды в тканях организмов в 5 раз больше, чем во всех реках Земли, объем воды, содержащаяся в корнях обновляется за несколько минут (малый круговорот): круговорот воды определяется использованием воды растениями; на море весь объем воды фильтруется планктоном за пол года, верхний слой воды (0,5 км) обновляется за 20 дней.

7. неразрывная связь с космосом и Солнцем.

Основатель гелиобиологии А. Чижевский говорил: «Все, подчинено ритму Солнца: от массового размножения саранчи до средней успеваемости школьника».

В настоящее время биосферой называют область распространения жизни на Земле. Она включает совокупность всех организмов и их остатков, а также части литосферы, гидросферы и атмосферы, как населенные ныне живущими организмами, так и преобразованные их прошлой деятельностью.

Биосфера – есть оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется совокупной деятельностью живых организмов.

Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), часть литосферы, особенно кору выветривания, и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана.

Биосфера (по И. Вернадскому) включает семь основных компонентов: живое вещество – совокупность живых организмов; биогенное вещество – создаваемое и перерабатываемое организмами (газы атмосферы, каменный уголь, битумы, известь и т.п.); косное вещество – образующее без участия организмов (продукты тектонической деятельности и пр.); биокосное вещество – результат совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (вода, почва, кора выветривания); радиоактивное вещество; рассеянные атомы и вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль). В настоящее время вместо термина «живое вещество» употребляют другие выражения: «совокупность организмов», «живой покров Земли», «пленка жизни», «биомасса Земли», «биос», «биотический круговорот» и т.п. Вместо термина «косное вещество» говорят о «минеральных элементах», «абиогенном веществе», «неорганическом веществе» и т.п.

*Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс (1875 г.). Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому (1863-1945 гг.)

Существенная особенность биосферы – биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная лучистой энергией Солнца и выражающаяся в процессах обмена веществ, росте и размножении организмов. Биогенная миграция атомов подчиняется двум биогеохимическим принципам (В.И. Вернадский, 1940 г.): а) стремится к максимальному проявлению; б) приводит к выживанию организмов, увеличивающих биогенную миграцию атомов биосферы.

Функции биосферы:

энергетическая (накопление свободной энергии - связывание и запасание солнечной энергии);

концентрационная (накопление химических элементов в телах живых организмов в масштабах биосферы (формирование атмосферы, залежей органических и неорганических веществ);

транспортная (закон биогенной миграции атомов, биогеохимические круговороты);

деструктивная (разложение органики и замыкание круговоротов, выветривание – разрушение земной коры, формирование почвы);

средообразующая

Биогеохимические функции биосферы:

-газовая, включающая биогенную миграцию газов в результате фотосинтеза и азот фиксации;

-концентрационная, состоящая в аккумуляции живыми организмами химических элементов, рассеянных во внешней среде;

-окислительно-восстановительная, в частности, превращение веществ, содержащих атомы с переменной валентностью (железо, марганец, и т.п.);

-биохимическая – процессы, протекающие в живых организмах.

Биохимические функции биосферы характеризуют ее как целостную систему.

Посредством этих функций осуществляется круговорот органического вещества на Земле.

В процессе жизнедеятельности растений за счет солнечной энергии и имеющихся у земной поверхности веществ ежегодно образуется около 180 млрд. тонн растительной биомассы (в сухо весе) и около 300 млрд. тонн всей воды, испаряющейся с поверхности суши. Весь кислород атмосферы оборачивается через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислота совершает полный цикл за 300 лет, а вся вода океанов, морей и рек разлагается и восстанавливается в биотическую круговороте за 2 млн. лет. За время эволюции жизни углекислота, кислород и вода прошли через живое вещество планеты не одну тысячу раз.