Характеристика биосферы по Вернадскому

Биосфера включает в себя часть атмосферы на высоту до 10 -15 км, всю гидросферу до глубины 12 км и верхний слой литосферы на глубину до 5 км. В последнее время в связи с освоением космоса верхний предел биосферы неизмеримо вырос.

В.И. Вернадский определяет биосферу как определенную оболочку всех тех планет, на которых вследствие стечения благоприятных обстоятельств возникла и существует жизнь. Это и есть непосредственная среда жизни человека, то, что он в обиходной речи называет «природой».

«Лик Земли становится виден благодаря проникающим в него световым излучениям небесных светил, главным образом Солнца», ■ пишет Вернадский. Излучения, идущие из космоса, непрерывно льющиеся на Землю, - это мощный поток сил. Благодаря им, вещество биосферы проникнуто энергией, оно становится активным. По существу, биосферу можно рассматривать как область земной коры, занятую «трансформаторами», переводящими космические излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.

Солнце имеет ультрафиолетовые, световые и тепловые волны.

Короткие ультрафиолетовые волны губительны для жизни, но они в значительной степени задерживаются в верхних разреженных частях газовой оболочки - стратосфере - экраном озона. «Жизнь, создавая в земной коре свободный О₂, тем самым создает озон и предохраняет биосферу от губительных коротких излучений небесных светил».

Электрические и магнитные проявления верхних слоев стратосферы видны нам в виде северного сияния и зарниц.

Длинные волны инфракрасных лучей создают для жизни необходимую теплоту, в аккумуляции и распределении которой играют значительную роль дождевые и снеговые осадки, океан, озёра, реки. Так, океан нагревается вследствие большой теплоёмкости и медленно отдаёт собранное тепло благодаря своей теплопроводности. Нагреваются, охлаждаются и перемешаются также воздушные массы.

Лучистая световая энергия Солнца является главным источником энергии биосферы. Фотосинтез зелёных растений «солнечным лучом» создаёт в биосфере бесконечное число новых химических соединений - многие миллионы различных комбинаций атомов — и непрерывно с непостижимой быстротой покрывает её мощной толщей живых молекулярных систем. Этот процесс длится сотни миллионов лет. В него вовлекается значительная часть атомов, составляющих материю земной поверхности.

«На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по свои.» конечным последствиям, чем живые организмы, взятые вцелом», - говорил Вернадский. Следовательно, всё живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов, есть особая область накопления свободной химической энергии в биосфере и превращение в неё излучений Солнца.

Прекращение жизни было бы неизбежно связано с прекращением химических изменений. Исчез бы свободный С₂, уменьшилось бы количество СОз, Н₂0 без них стала бы химически малодеятельной.

«Лик Земли стал бы также неизменен и химически инертен, каким является неподвижный лик Луны», - писал В.И. Вернадский.

Внутренняя энергия, производима» жизнью, проявляется в переносе химических элементов и в создании из них новых тел. «Я буду, - говорил В.И. Вернадский, - называть её геохимической энергией жизни в биосфере».

Эта энергия выражается в движении живых организмов путём размножения, идущего в биосфере непрерывно, с удивительной математической правильностью. В результате живое вещество растекается по всей поверхности Земли, включая гидросферу и тропосферу. Особенно быстро размножаются одноклеточные организмы.

Процесс размножения замирает только при недостатке Оз в окружающей среде, при недостатке пищи, при действии низких температур, при отсутствии места для обитания новых организмов. Если бы не было этих препятствий, всякий организм мог бы в определённое время покрывать весь земной шар.

Вернадский вычислил время, необходимое разным организмам <<для захвата поверхности планеты». Он назвал его скоростью передачи жизни. По его данным скорость размножения составляет [26]:

Из сопоставления видно, что более мелкие организмы размножаются быстрее крупных; домашние животные размножаются быстрее диких.

Площадь, необходимая для жизни и нормального размножения, тоже различна для каждого организма. Так, для характеристики на поверхности водоёма или протококка на стволе дерева, она равна их размерам. Слону нужно до 30 км², пчеле - 200 м², злаковому 26 см². Если судить по приведённым цифрам, то травам необходима небольшая площадь. Следует, однако, учесть, что травы, как и деревья, поднялись в воздушную среду, где используют площадь равную площади листовой поверхности. А листовая поверхность превышает указанную выше в несколько раз. Поэтому возможна такая густота растительного покрова, что можно сказать: «Луч, падая на Землю, всюду встречает ловящий его организм».

Несмотря на это, зелёные растения используют всего около 1 % падающей лучистой энергии. Если интенсивно культивировать одноклеточные организмы, использование может быть поднято до 2 % и выше.

11. 3. Геологический круговорот веществ. Единство малого и большого круговоротов веществ

Накопление энергии и передача её живым веществом при размножении создаёт её растекание. Размножение организмов производит, как говорил В.И. Вернадский, «давление жизни», или «напор жизни». От «напора жизни» возникает между организмами борьба за площадь, за питание и в особенности «борьба за газ», за нужный для дыхания свободный кислород.

При этом происходит биогенная миграция атомов. Атомы, захваченные растениями, переходят к травоядным животным, а затем к хищным животным, которые питаются травоядными. Мёртвые растения и животные служат пищей микроорганизмам, а выделяемые микроорганизмами в результате жизнедеятельности минеральные вещества снова потребляются растениями.

Основой существования биосферы является биологический круговорот веществ. В общих чертах его можно изобразить схемой, приведенной на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема биологического круговорота веществ: ПЦ - продуценты; К - консументы; РЦ - редуценты

Растения в процессе фотосинтеза усваивают солнечную энергию, потребляют из почвы минеральные вещества и воду, из атмосферы -углекислый газ, образуя при этом органические вещества и выделяя кислород:

6СО₂ + 6Н₂0 → С₆Н₁₂О₆ + 60₂.

В связи с этим растения называются продуцентами. В общем случае продуценты - организмы, которые синтезируют органические вещества из минеральных, используя энергию света. Животные потребляют кислород, поедают растения и, окисляя органические вещества растений, выделяют СО₂ и Н₂0. Животные являются консументами - организмами, которые питаются органическими веществами, используя энергию их окисления для процессов жизнедеятельности. Бактерии, грибы и другие организмы перерабатывают мёртвую органику, превращая в минеральные соединения, которые усваиваются растениями. Эта группа организмов называется редуцентами.

Таким образом, биологический круговорот основан на способности одних организмов пользоваться отходами других.

Кроме биологического или малого круговорота веществ в природе существует геологический или большой круговорот веществ между атмосферой, гидросферой и литосферой.

Из биологического круговорота выпадает лишь небольшой процент атомов. Эти вышедшие из жизненного процесса биогенные атомы попадают в косную (неживую) природу, тем самым играя огромную роль в истории биосферы (каменный уголь образован древними растениями, меловые и известковые отложения образовались из раковин древних фораминифер и кораллов). Вернадский делает обобщение: «Мы имеем здесь дело с новым процессом - медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности».

Учение о биосфере создал ВЛ. Вернадский. Биосфера, говорит он, единственная область земной коры, занятая жизнью. Жизнь может проявляться только в определённой среде, в определённых физических и химических условиях. Этим условиям отвечает биосфера, которая составляет верхнюю оболочку, или геосферу, нашей планеты.

Условия среды, которые существуют здесь, различны, но в течение миллионов лет жизнь в виде отдельных элементов (организмов) приспособилась к ним и постепенно захватила биосферу. Существование организмов невозможно без источника, откуда они берут необходимые для дыхания и питания вещества.

По способу питания Вернадский делит живое вещество на две резко

различные группы:

1. Автотрофные организмы, в своём питании независимые от других организмов и использующие неорганические вещества;

2.Гетеротрофные организмы, использующие органические вещества, созданные другими организмами.

Автотрофы можно в свою очередь разделить на две группы:

1. Зелёные автотрофные растения, существование которых определяется областью проникновения солнечных лучей. Их масса очень велика, они создают органические вещества и выделяют 0₂;

2. Автотрофные бактерии, живущие за счёт окисления 8, Ре, К, С. Окисляющие бактерии играют огромную роль в геохимической истории этих элементов. Вынужденные выискивать среду существования, они распространяются в почве, иле, морской воде.

Главная масса живого вещества сосредоточена в охваченной солнечным светом части планеты; при этом сгущения жизни тем больше, чем ярче это освещение. Здесь же собраны и гетеротрофные организмы, существование которых зависит от продукции зелёных растений.

Гетеротрофные организмы и зелёные бактерии проникают н в области биосферы, лишённые света, в зелёные пещеры и морские глубины.

Каждый организм имеет свои пределы жизни. Споры грибов и некоторых бактерий выдерживают температуру в 140 "Сив течение 20 ч могут выдерживать 252 "С. Споры бактерий в жидком воздухе сохраняли жизнеспособность в течение нескольких месяцев при температуре 200 "С. Грибы и бактерии выдерживают Р = 3000 атм., дрожжи 8000 атм.

Коротковолновые лучи убивают все формы жизни.

Анаэробные бактерии живут в среде, лишенной свободного СО₂; автотрофные бактерии - в среде богатой минеральными солями. Есть микроорганизмы, распространённые в горячих борных источниках и выдерживающие 10 % раствор НС1.

Животным и растениям для жизни необходим О₂. В биосфере можно определить верхний и нижний пределы, паля жизни.

Жизнь не может зайти за пределы стратосферы, за исключением человека, вылетающего сейчас в космос. Именно озоновый экран, поглощающий космические коротковолновые излучения, является границей возможной жизни.

Фактически организмы распространяются ниже его границы. До 5 км, в редких случаях до 10 км, с потоками воздуха, с пылью могут подниматься в атмосферу мельчайшие споры и микроорганизмы. Из птиц только кондор поднимается до 7 км. В горах на высоте 8 км наблюдались тли, бабочки встречались ниже па высоте 6,5 км. Лишь тонкий слой атмосферы, исчисляемый десятками метров, переполнен жизнью.

В процессе производственной деятельности человек активно вмешивается в окружающую его природу. Сфера технического преобразования природы носит название техносферы. Подобно тому, как в биосфере существует биологический обмен веществ, в техносфере существует антропогенный обмен веществ — процесс обеспечения развития общества за счёт веществ и энергии окружающей срезы, играющий всё большую роль по мере развития человеческого общества.

Антропогенный обмен представляет собой часть круговорота веществ на нашей планете, причём доля его стремительно возрастает, и к настоящему времени стала основой в районах промышленных центров. Антропогенный обмен имеет ряд существенных отличии от биологического обмена веществ.

Пристальное внимание к геологической, а потом геохимической роли деятельности человечества привело В.И. Вернадского к понятию о ноосфере (от греческого «ноос» - разум) — новой фазе эволюции биосферы.

Идея о новой фазе, в которую вступает человечество, возникла у

В.И. Вернадского ещё в конце последнего десятилетия XIX в. Уже в 80 -90-е гг. он размышлял о влиянии мысли и её труда на развитие общества и науки: «Вдумываясь в окружающую будничную жизнь,... можем видеть постоянное стремление человеческой мысли покорить и поработить себе факты совершенно стихийного на вид характера... Быстро исчезает человеческая личность, но часто чрезвычайно долго в круговороте текущей, будничной жизни сказывается её мысль и влияние человеческого труда...»

Термин «ноосфера» предложил французский учёный, математик и философ Ле Руа вместе со своим другом - также учёным, геологом и палеонтологом Тейяром де Шарденом в 1927 г., чтобы обозначить современную - талию, переживаемую биосферой.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое биосфера? Каковы её границы?

2.Что такое «напор жизни» или «давление жизни»?

3.Что такое биологический круговорот веществ?

4.Что такое геологический круговорот веществ?

5. Какие организмы называют автотрофами, гетеротрофами, продуцентами, консументами, редуцентами?

6. Раскройте понятия «техносфера» и «ноосфера».