Общее представление о биосфере

Обычно различают несколько геосфер. Литосфера – внешняя твёрдая оболочка Земли, состоящая из двух слоёв: верхнего, образованного осадочными породами, включающими гранит, и нижнего – базальтового. Гидросфера – это все океаны и моря (Мировой океан), составляющие 71% поверхности Земли, а также озёра и реки. Глубина океана в среднем составляет
4 км, а в отдельных впадинах – до 11 км. Атмосфера – слой над поверхностью литосферы и гидросферы, достигающий 100 км. Нижний слой атмосферы (15 км) называют тропосферой. Она включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности планеты. Над тропосферой простирается стратосфера, у границ которой возникают северные сияния. В стратосфере на высоте 45 км расположен озоновый слой, отражающий губительное для жизни космическое излучение и частично – ультрафиолетовые лучи. Выше стратосферы простирается ионосфера – слой разряжённого газа из ионизированных атомов.

Среди всех сфер Земли особое место занимает биосфера. Биосфера – это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими её живыми организмами: микроорганизмами, растениями, животными. Она включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу, тропосферу и нижнюю часть стратосферы (в том числе озоновый слой). Границы биосферы определяются верхним пределом жизни, ограниченным интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, и нижним пределом, ограниченным высокими температурами земных недр; крайних пределов биосферы достигают лишь низшие организмы – бактерии. Особое место в биосфере занимает озоновый защитный слой. В атмосфере содержится всего лишь 4×10^-7об. % озона, однако он создал на Земле такие условия, благодаря которым на нашей планете зародилась и продолжает развиваться жизнь.

В биосфере осуществляются непрерывные круговороты веществ и энергии. В круговороте веществ постоянно участвуют в основном одни и те же элементы: водород, углерод, азот, кислород, сера. Из неживой природы они переходят в состав растений, из растений – в животных и человека. Атомы этих элементов удерживаются в круге жизни сотни миллионов лет, что подтверждается данными изотопного анализа. Указанные пять элементов называют биофильными (жизнелюбивыми), при этом не все их изотопы, а только лёгкие. Так, из трёх изотопов водорода (¹Н, ²Н, ³Н) биофильным является только ¹Н. Из трёх природных изотопов кислорода (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О) биофилен только ¹⁶О, а из изотопов углерода – только ¹²С.

Роль углерода в возникновении жизни на Земле поистине огромна. Имеются основания полагать, что при образовании земной коры часть углерода вошла в состав её глубинных слоёв в виде минералов типа карбидов, а другая его часть была удержана атмосферой в виде СО:

Н₂О+СО=Н₂+СО₂+10 ккал.

Понижение температуры на определённых этапах формирования планеты сопровождалось взаимодействием СО с водяным паром по реакции, так что ко времени появления на Земле жидкой воды углерод атмосферы должен был находиться в виде углекислого газа. Дыхание животных и растений и тление их останков постоянно возвращают атмосфере и водам океана громадные массы углерода в виде углекислого газа. Вместе с тем имеет место некоторый вывод углерода из круговорота за счёт частичной минерализации останков растений и животных.

Дополнительным, причём более мощным, выводом углерода из круговорота является неорганический процесс выветривания горных пород, при котором содержащиеся в них металлы под действием СО₂ атмосферы переходят в углекислые соли, вымываемые затем водой и переносимые реками в океан с последующим частичным осаждением. По ориентировочным подсчётам ежегодно при выветривании горных пород из атмосферы связывается до 2 млрд. т углерода. Такой грандиозный расход СО₂ не может быть скомпенсирован различными свободно протекающими природными процессами (извержением вулканов, газовыми источниками, действием образующейся при грозах HNO₃на известняки и т.д.), ведущими к обратному переходу углерода из минералов в атмосферу. Таким образом, как неорганический, так и органический этапы круговорота углерода направлены на уменьшение содержания СО₂ в атмосфере. В этой связи следует отметить, что сознательная деятельность человека существенно влияет на общий круговорот углерода и, затрагивая, по существу, все направления процессов, протекающих при естественном круговороте, в конечном счёте компенсирует утечку СО₂ из атмосферы. Достаточно сказать, что за счёт сжигания только каменного угля атмосфере ежегодно (в середине прошлого века) возвращалось в виде СО₂ более
1 млрд. т углерода. Принимая во внимание потребление и других видов ископаемого горючего (торфа, нефти и др.), а также ряд промышленных процессов, ведущих к выделению СО₂, можно полагать, что эта цифра в действительности ещё более высокая.

Таким образом, влияние человека на циклы превращений углерода по своему направлению прямо противоположно суммарному результату естественного цикла:

Энергетический баланс Земли слагается из различных источников, однако, главнейшими из них являются солнечная и радиоактивная энергия. В ходе эволюции Земли радиоактивный распад был интенсивным, и 3 млрд. лет тому назад радиоактивного тепла было в 20 раз больше, чем сейчас. В настоящее время тепло солнечных лучей, падающих на Землю, значительно превосходит внутреннее тепло от радиоактивного распада, так что основным источником тепла сейчас можно считать энергию Солнца. Солнце даёт нам в год 2,5×10²⁰ ккал тепла. Согласно приведённой выше схеме 40% солнечной энергии отражается Землёй в мировое пространство, 60% - поглощается атмосферой и почвой. Часть этой энергии расходуется на фотосинтез, часть идёт на окисление органических веществ, а часть консервируется в угле, нефти, торфе. Солнечная энергия возбуждает на Земле грандиозные по своим масштабам климатические, геологические и биологические процессы. Под влиянием биосферы солнечная энергия преобразуется в различные формы энергии, обусловливающие огромные по размерам превращения, миграции, круговорот веществ. Несмотря на свою грандиозность, биосфера является открытой системой, так как постоянно получает поток солнечной энергии.

Фотосинтез включает сложный комплекс различных по природе реакций. В этом процессе происходит перестройка связей в молекулах СО₂ и Н₂О, так что вместо прежних связей: «углерод – кислород» и «водород – кислород» возникает новый тип химических связей: «углерод – водород» и «углерод – углерод»:

Н Н

О | |

С (94,26 ккал/моль) ® Н---С--------С---С…

О | |

Н—О—Н (56,69 ккал/моль) ОН ОН

В результате этих превращений возникает молекула углевода, которая представляет собой концентрат энергии в клетке. Таким образом, в химическом отношении сущность фотосинтеза заключается в перестройке химических связей. С этой точки зрения, фотосинтезом можно называть процесс синтеза органических соединений, идущий за счёт световой энергии.

Суммарное уравнение фотосинтеза показывает, что кроме углеводов образуется также и кислород:

6СО₂ + 6Н₂О ® С₆Н₁₂О₆ + 6О₂,

но это уравнение не даёт представления о его механизме. Фотосинтез – это сложный, многоступенчатый процесс, в котором с биохимической точки зрения центральная роль принадлежит хлорофиллу – органическому веществу зелёного цвета, которое поглощает квант солнечной энергии. Механизм процессов фотосинтеза может быть представлен следующей схемой:

Н₂О

hn е ­¯ + ОН^- световая

--® хлорофилл ---® Н+ ¯ фаза

¯ е + ОН -----® Н₂О+О₂

Н ¯

ï АДФ+Ф -- ® АТФ

ï ï темновая

¯ ¯ фаза

6СО₂ + 24Н = С₆Н₂О₁₆ + 6Н₂О

Как видно из схемы, в световой фазе фотосинтеза избыточная энергия «возбуждённых» электронов порождает два процесса: фотолиз – с образованием молекулярного кислорода и атомарного водорода:

2Н₂О = О₂ + 4Н

и синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и фосфорной кислоты (Ф). В темновой фазе идёт синтез углеводов, для осуществления которого расходуется энергия АТФ и атомов водорода, возникающих в световую фазу в результате преобразования световой энергии Солнца. Общая продуктивность фотосинтеза огромна: ежегодно растительность Земли связывает 170 млрд. т углерода. Помимо того, растения вовлекают в синтез миллиарды тонн фосфора, серы и других элементов, в результате чего ежегодно синтезируется около 400 млрд. т органических веществ. Тем не менее при всей своей грандиозности природный фотосинтез – медленный и малоэффективный процесс, поскольку зелёный лист использует для фотосинтеза всего 1% падающей на него солнечной энергии.

Как отмечалось выше, в результате поглощения углекислоты и дальнейших её преобразований в ходе фотосинтеза образуется молекула углевода, которая служит углеродным скелетом для построения всех органических соединений в клетке. Органические вещества, возникшие в процессе фотосинтеза, характеризуются высоким запасом внутренней энергии. Но энергия, аккумулированная в конечных продуктах фотосинтеза, недоступна для непосредственного использования её в химических реакциях, протекающих в живых организмах. Перевод этой потенциальной энергии в активную форму осуществляется в другом биохимическом процессе – дыхании. Основная химическая реакция процесса дыхания – это поглощение кислорода и выделение углекислого газа:

С + О₂ = СО₂ + 94 ккал.

Однако процесс дыхания очень сложный. Он включает активацию атомов водорода органического субстрата, освобождение и мобилизацию энергии в виде АТФ и генерации углеродных скелетов. В процессе дыхания углеводы, жиры и белки в реакциях биологического окисления и постепенной перестройки органического скелета отдают свои атомы водорода с образованием восстановленных форм. Последние при окислении в дыхательной цепи освобождают энергию, которая аккумулируется в активной форме в сопряжённых реакциях синтеза АТФ. Таким образом, фотосинтез и дыхание – это различные, но весьма тесно связанные стороны энергообмена. В клетках зелёных растений процессы фотосинтеза и дыхания тесно сопряжены. Процесс дыхания в них, как и во всех других живых клетках, идёт постоянно. Днём, наряду с дыханием, в них происходит фотосинтез: растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую, синтезируя органическое вещество, а в качестве побочного продукта реакции, выделяя кислород. Количество кислорода, выделяемого растительной клеткой в процессе фотосинтеза, в 20-30 раз больше, чем поглощение его в одновременно идущем процессе дыхания. Таким образом, днём, когда в растениях идут оба процесса, воздух обогащается кислородом, а ночью, когда фотосинтез прекращается, сохраняется только процесс дыхания.

В организм человека необходимый для дыхания кислород поступает через лёгкие, тонкие и влажные стенки которых имеют большую поверхность (порядка 90 м²) и пронизаны кровеносными сосудами. Попадая в них, кислород образует с гемоглобином, заключённым в красных кровяных клетках – эритроцитах, непрочное химическое соединение – оксигемоглобин и в таком виде красной артериальной кровью разносится ко всем тканям тела. В них кислород отщепляется от гемоглобина и включается в различные обменные процессы, в частности окисляет органические вещества, поступившие в организм в виде пищи. В тканях к гемоглобину присоединяется углекислый газ, образуя непрочное соединение – карбгемоглобин. В таком виде, а также частично в виде солей угольной кислоты и в физически растворённом виде углекислый газ с током тёмной венозной крови поступает в лёгкие, где и выводится из организма. Схематически этот процесс газообмена в организме человека можно представить следующими реакциями:

Гем. + О₂ = Гем.О₂ (лёгкие, вдох);

ìГем.О₂ ® Гем. + О₂, ü

í ý (ткани);

îГем. + СО₂ ® Гем.СО₂, þ

Гем.СО₂ = Гем. + СО₂ (лёгкие, выдох).

Обычно вдыхаемый человеком воздух содержит 21% О₂ (по объёму) и 0,03% СО₂, а выдыхаемый – 16% О₂ и 4% СО₂; за сутки человек выдыхает 0,5 м³ СО₂. Аналогично кислороду реагирует с гемоглобином угарный газ (СО), причём образующееся соединение Гем. СО значительно более прочно. Поэтому даже при небольших концентрациях СО в воздухе значительная часть гемоглобина оказывается связанной с ним и перестаёт участвовать в переносе кислорода. При содержании в 1:200 гемоглобином связываются равные количества обоих газов. В силу этого при вдыхании отравленного окисью углерода воздуха смерть от удушья может наступить несмотря на наличие избытка кислорода.

Брожение как процесс распада сахаристых веществ в присутствии особого рода микроорганизмов настолько часто протекает в природе, что спирт, хотя и в ничтожных количествах, является постоянной составной частью почвенных вод, а пары его всегда в небольших количествах содержатся в воздухе. Простейшая схема брожения может быть представлена уравнением

С₆Н₁₂О₆ ®2СО₂ + 2С₂Н₅ОН.

Хотя механизм процессов брожения сложен, всё же можно утверждать, что чрезвычайно важную роль в нём играют производные фосфорной кислоты (АТФ), а также ряд ферментов.

Гниение – сложный биохимический процесс, в результате которого экскременты, трупы, останки растений возвращают почве ранее взятый из неё связанный азот. Под влиянием особых бактерий в конечном счёте этот связанный азот переходит в аммиак и соли аммония. Кроме того, при гниении часть связанного азота переходит в свободный азот и теряется.

Как следует из приведённой выше схемы, часть солнечной энергии, поглощаемой нашей планетой, «консервируется» в виде торфа, нефти, угля. Мощные сдвиги земной коры погребали под слоями горных пород громадные растительные массивы. При разложении отмерших растительных организмов без доступа воздуха из них выделяются летучие продукты распада, а остаток постепенно обогащается углеродом. Это соответствующим образом сказывается на химическом составе и теплотворной способности продукта разложения, который в зависимости от его особенностей называют торфом, бурым и каменным углём (антрацитом). Подобно растительной, животная жизнь минувших эпох также оставила нам ценное наследство – нефть. Современные океаны и моря содержат громадные скопления простейших организмов в верхних слоях воды до глубины примерно 200 м (планктон) и в придонной области не очень глубоких мест (бентос). Общая масса планктона и бентоса оценивается громадной цифрой (~10¹¹ т). Будучи основой питания всех более сложных морских организмов, планктон и бентос в настоящее время вряд ли накапливаются в виде останков. Однако в далёкие геологические эпохи, когда условия для их развития были более благоприятными, а потребителей намного меньше, чем сейчас, останки планктона и бентоса, а также, возможно, и более высокоорганизованных животных, массами гибнувших в силу тех или иных причин, могли стать основным строительным материалом для образования нефти. Сырая нефть представляет собой нерастворимую в воде маслянистую жидкость чёрного или коричневого цвета. В её состав входят 83-87% углерода, 10-14% водорода и небольшие количества азота, кислорода и серы. Её теплотворная способность выше, чем у антрацита, и оценивается величиной 11000 ккал/кг.

Под биомассой понимается совокупность всех живых организмов биосферы, т.е. количество органического вещества и заключённой в нём энергии всей совокупности особей. Биомассу обычно выражают в весовых единицах в пересчёте на сухое вещество на единицу площади или объёма. Накопление биомассы обусловливается жизнедеятельностью зелёных растений. В биогеоценозах они как производители живого вещества играют роль «продуцентов», растительноядные и плотоядные животные как потребители живого органического вещества - роль «консументов», а разрушители органических остатков (микроорганизмы), доводящие распад органического вещества до простых минеральных соединений, - «редуцентов». Особой энергетической характеристикой биомассы является её способность к размножению. По определению В. И. Вернадского, «живое вещество (совокупность организмов) подобно массе газа растекается по земной поверхности и оказывает определённое давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его продвижению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путём размножения организмов». На поверхности суши увеличение биомассы происходит в направлении от полюсов к экватору. В этом же направлении возрастает и количество видов, участвующих в биогеоценозах. Биоценозы почв покрывают всю поверхность суши.

Почва – это рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками. Мощность почвы, наряду с поверхностной биомассой и под её влиянием увеличивается от полюсов к экватору. Почва плотно заселена живыми организмами, и в ней происходит непрерывный газообмен. Ночью при охлаждении и сжатии газов в неё проникает некоторое количество воздуха. Кислород воздуха поглощается животными и растениями и входит в состав химических соединений. Проникший с воздухом азот улавливается некоторыми бактериями. Днём при нагревании почвы из неё выделяются аммиак, сероводород и углекислый газ. Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы.

Гидросфера Земли, или Мировой океан, занимает более 2/3 поверхности планеты. Физические свойства и химический состав океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Водные животные выделяют при дыхании СО₂, а водоросли при фотосинтезе обогащают воду О₂. Фотосинтез водорослей происходит главным образом в верхнем слое воды – на глубине до 100 м. На долю планктона океана приходится 1/3 фотосинтеза, происходящего на всей планете. В океане биомасса в основном рассеяна. В среднем биомасса на Земле, по современным данным, составляет примерно 2,5х10¹² т, масса зелёных растений суши – 97%, животных и микроорганизмов – 3%. В Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Использование солнечной энергии на площади океана – 0,04%, на суше – 0,1%. Океан не так богат жизнью, как это предполагалось ещё недавно.

Человечество составляет лишь небольшую часть биомассы биосферы. Однако, овладев различными формами энергии – механической, электрической, атомной, оно стало оказывать громадное влияние на процессы, протекающие в биосфере.