Учение о функциях живого вещества


Биосфера (греч. bios — жизнь + sphaira — шар) — наружная оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Термин «биосфера» предложен австрийским геологом Э. Зюссом, учение о биосфере было создано и развито российским и советским ученым Вернадским Владимиром Ивановичем.

Биосфера — совокупность всех биогеоценозов, это открытая система, структура и свойства которой определяются деятельностью организмов в прошлом и настоящем. Биосферу можно рассматривать как часть лито-, гидро- и атмосферы, заселенную живыми существами.

Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).

Границы биосферы

Общая толщина биосферы приблизительно 17 км. Живые организмы проникают вглубь литосферы на расстояние до 6-7 км, заселяют всю толщу гидросферы (до самого дна мирового океана). В атмосфере живые организмы встречаются в нижней части — тропосфере, которую сверху ограничивает озоновый слой (часть стратосферы).


Выше «озонового экрана» существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.

Вещество биосферы

Многокомпонентная сложная система биосферы включает несколько отдельных элементов. Вернадский В.И. создал учение, в соответствии с которым вещество биосферы состоит из:

  • Живое вещество
  • Совокупность всех живых организмов на нашей планете. Именно Вернадский показал, что деятельность живых существ — важнейший фактор геологических изменений планеты.

  • Косное вещество
  • Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.

  • Биогенное вещество
  • Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.

  • Биокосное вещество

  • Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.

    К биокосному веществу относятся пресная и соленая вода, почва, воздух. Почва является верхним наиболее плодородным слоем литосферы Земли. Почва — уникальный продукт совместной деятельности живых организмов, то есть биологических и геологических процессов, протекающих в живой природе.

Функции живого вещества

Важнейший компонент биосферы — живое вещество, то есть — живые организмы. Их деятельность приводит к наиболее значительным геологическим изменениям в биосфере, они обеспечивают круговорот веществ — главное условие зарождения новой жизни.

Перечислим важнейшие функции живого вещества:

  • Энергетическая
  • Живые организмы постоянно получают и преобразуют энергию. Растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей, а животные передают ее по цепочке. После смерти растений и животных энергия возвращается в круговорот благодаря бактериям и грибам — сапротрофам (греч. sapros – гнилой), разлагающим мертвое органическое вещество.

  • Газовая
  • Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.

  • Концентрационная

  • Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?

    Это связано с тем, что каждое живое существо избирательно накапливает определенные химические элементы. К примеру, многие моллюски накапливают кальций, образуют известковый скелет — раковину. После их смерти раковины опускаются на дно, в результате чего создаются залежи полезных ископаемых — известняка (мела).

    В результате жизнедеятельности мха сфагнума образуется полезное ископаемое — торф, а папоротниковидные образуют каменный уголь. Это концентрат углеродистых и кальциевых соединений в погибших растениях, которые тысячелетиями отмирали и образовали залежи ископаемых.

  • Окислительно-восстановительная
  • Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.

  • Деструктивная

  • Без разрушения «старой» жизни, невозможно возникновение «новой». После смерти живых существ их останки подвергаются разрушению, из них высвобождается энергия, накопленная в связях химических веществ. Непрерывный круговорот должен продолжаться всегда — это главное условие жизни.

Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.

При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.

Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.

Все атомы, которыми мы обладаем, которые стали частью наших рук, глаз, носа, языка — все эти атомы кому-то принадлежали до нас! За миллиарды лет существования Земли они успели побывать в мириадах растений, грибов и животных. То, что наши атомы сейчас с нами — великое чудо и немыслимая случайность.


Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.

Ноосфера

Ноосфера (греч. noos — разум и sphaira — шар) — термин введенный русским ученым В.И. Вернадским. Ноосфера подразумевает взаимодействие природы и общества, при котором человек является главным определяющим фактором эволюции. Человек становится крупнейшей геологической силой.

Споры о том, можно ли считать современный этап развития цивилизации ноосферой остаются открытыми. Основная идея ноосферы — разумное, рациональное поведение человека, при котором он сосуществует в гармонии со всеми другими формами жизни.

К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: «Пока не потеряешь, не осознаешь ценность». Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.

Круговорот веществ

Углерод находится в природе в основном в составе углекислого газа, угольной кислоты и ее нерастворимых солей — карбоната кальция (из которого состоят раковины моллюсков). Отмирая, живые организмы образуют залежи полезных ископаемых: торф, древесину, каменный уголь, нефть. Известняк может надолго исключить углерод из круговорота веществ.


Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек «вернул их в строй» вместе с выхлопными газами.

Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.

Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).

В листьях в процессе биосинтеза азот преобразуется в белки. Травоядные животные поедают растения, таким образом, белок включается в их состав. После смерти животных белки разлагаются сапротрофами, которые выделяют аммиак, нитраты. Часть нитратов усваивается растениями, а часть восстанавливается бактериями до атмосферного азота — цикл замыкается.

Источник: studarium.ru

Состав и функции биосферы

Необходимо запомнить

ВАЖНО!


Термин «биосфера» (от греч. bios – жизнь, sphaira – плёнка) был предложен австралийским учёным Э. Зюссом (1831–1914), который понимал под биосферой совокупность живых организмов Земли.

Учение о биосфере разработано российским учёным, академиком В. И. Вернадским (1863–1945). В. И. Вернадский распространил понятие биосферы не только на живые организмы, но и на геологические оболочки, заселённые ими. По В. И. Вернадскому Земля состоит из четырёх принципиальных типов материи.

Все вещества биосферы подразделяются на четыре группы:

– живое вещество – совокупность живых организмов Земли;

– косное вещество – вещество неживой природы (песок, глина, гранит, базальт);

– биокосное вещество – результат взаимодействия живых организмов с неживой природой (вода, почва, ил);

– биогенное вещество – вещества, создаваемые в результате жизнедеятельности организмов (осадочные породы, каменный уголь, нефть).

Биосфера – оболочка Земли, основная роль в формировании которой принадлежит живым организмам. В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой температурой земных недр, верхний предел (20 км) – жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (все, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек – литосферы, гидросферы и атмосферы. Организмы, составляющие биосферу, обладают поразительной способностью к размножению и распространению по планете.


Литосфера – «каменная оболочка» Земли – представляет собой верхнюю часть земной коры, изменённой в результате физического, химического и биологического воздействия. Состоит из осадочных пород, ниже которых находятся гранитный и базальтовые слои.

Нижняя граница жизни в литосфере проходит на уровне 4–7 км, ниже проникновение жизни ограничено воздействием высоких температур, отсутствием воды. Наиболее заселены поверхность Земли и верхний слой почвы.

Гидросфера «водная оболочка» образована Мировым океаном и водоёмами суши – реками, озёрам. Много воды находится в подземных водах и ледниках. Гидросфера заселена по всей толщине, живые организмы представлены бентосом, планктоном и нектоном.

Атмосфера подразделяется на тропосферу – нижнюю часть атмосферы, высота которой доходит до 20 км, выше находится стратосфера (до 100 км), ещё выше ионосфера.

Заселена только тропосфера, верхняя граница жизни проходит на высоте около 20 км, куда восходящие потоки воздуха заносят споры микроорганизмов.

В атмосфере, на высоте 15–35 км свободный кислород (О2) превращается в озон (О3), который отражает жёсткий ультрафиолет (свет с длиной волны менее 290 нм), вызывающий мутации в клетках живых организмов.


Функции живого вещества

1. Энергетическая функция, связана с превращением солнечной энергии в энергию химических связей образованного органического вещества.

2. Газовая функция. Фотосинтез, дыхание, деятельность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий создали атмосферу Земли, содержащую 21 % кислорода, 0,03 % углекислого газа, около 80 % азота. Метан, сероводород – эти газы также биогенного происхождения.

3. Концентрационная функция живого вещества проявляется в захвате и накоплении живыми организмами определённых химических элементов – углерода, кислорода, водорода, азота, калия, натрия, кремния, йода и др.

4. Окислительно-восстановительная функция связана с химическими превращениями веществ в ходе окислительно-восстановительных реакций.

За время существования Земли сменились миллиарды поколений живых организмов. Все они использовали неорганические вещества, органические вещества, а также энергию. Эти ресурсы не исчерпываются, поскольку существует круговорот, т. е. циклический переход вещества и энергии между разными организмами. Благодаря ему вещество нигде не скапливается и постоянно обновляется. Рассмотрим круговорот воды, углерода, азота.

Круговорот воды

Вода – самое распространённое вещество в Биосфере. Основные её запасы сосредоточены в морях и океанах. Пресная вода сосредоточена в ледниках и вечных снегах, а также в подземных водах. Лишь незначительная часть пресных вод заключена в озёрах, реках, болотах и атмосферных осадках. Живые организмы не только потребляют воду, но и отдают её обратно в виде испарения или жидких выделений.


Испарение уходит в атмосферу, а жидкая вода стекает и скапливается в крупнейших водах бассейна. Под действием солнечной радиации вода в бассейне испаряется в атмосферу, переносится на большие расстояния и выпадает в виде осадков и становится доступной для всех живых существ.

Круговорот углерода

Источником его для фотосинтеза служит углекислый газ, находящийся в атмосфере или растворенный в воде. Углерод, связанный в горных породах, вовлекается в круговорот значительно медленнее. В составе синтезированных растением органических веществ углерод поступает, затем в цепи питания через живые или мёртвые ткани растений и возвращается в атмосферу снова в форме углекислого газа в результате дыхания, брожения или сгорания топлива (древесины, нефти, угля и т. п.). Продолжительность цикла углерода равна трём – четырём столетиям.

Круговорот азота

Растения получают азот в основном из разлагающегося мёртвого органического вещества посредством деятельности бактерий, которые превращают азот белков в усваиваемую растениями форму. Другой источник – свободный азот атмосферы – растениям непосредственно недоступен. Но его связывают, т. е. переводят в другие химические формы, некоторые группы бактерий и сине-зелёные водоросли, они обогащают им почву. Многие растения находятся в симбиозе с азотфиксирующими бактериями, обитающими в клубеньках на их корнях. Из отмерших растений или трупов животных часть азота, за счёт деятельности денитрифицирующих бактерий превращается в свободную форму и вновь поступает в атмосферу.

Круговорот воды в природе

Источник: resh.edu.ru

Энергетическая

Заключается в процессе превращения солнечной энергии при фотосинтезе в энергию химических связей, которая затем передается по пищевым цепям.

За счет этого механизма протекают все жизненные явления на Земле. Поглощенная энергия перераспределяется в экосистеме, часть ее рассеивается в виде тепла, другая часть накапливается в отмершей органике.

Деструктивная

Заключается в минерализации мертвой органики, биохимическом разрушении горных пород, вовлечении составляющих их минералов в биотический круговорот. Способствует трансформации живого вещества в косное, а также образованию биогенного и биокосного вещества. При этом разложение горных пород происходит избирательно, с включением в круговорот важнейших питательных элементов.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Функции живого вещества 480 руб.
  • Реферат Функции живого вещества 250 руб.
  • Контрольная работа Функции живого вещества 220 руб.

Концентрационная

Заключается в селективном накоплении в организмах определенных видов веществ. Большая часть живых организмов накапливает в своих телах биогенные элементы, благодаря чему химический состав живого вещества весьма специфичен. Концентрация биогенных элементов в нем на порядки выше, чем во внешней среде.

Противоположна по результатам концентрационной рассеивающая функция, выраженная в трофической и транспортной деятельности организмов, через процессы выделения, гибели организмов при миграциях, линьке.

Средообразующая

Состоит в преобразовании физико-химических аспектов неорганической среды в благоприятном направлении для существования организмов. Эта функция служит совместным результатом всех предыдущих. В частности, результатом выполнения средообразующей функции были: изменение газового состава первичной атмосферы, химизма вод океана, формирование осадочных горных пород в литосфере, почвенного покрова.

Дополнительные функции живого вещества

Эти функции так или иначе выводятся из основных, однако их тоже выделяют в качестве самостоятельных функций благодаря значению для развития Земли, а также, в меньшей степени, по историческим причинам.

Газовая

Определяет миграцию газов, их взаимные превращения, формирует газовый состав биосферы. Основная масса газов в атмосфере имеет биогенное происхождение. Живое вещество участвует в превращения азота, кислорода, углекислого газа, в синтезе сероводорода, метана и др. Данная функция определяется двумя основополагающими функциями – деструктивной и средообразующей;

Окислительно-восстановительная

Определяет химические превращения веществ, включающих атомы с переменной степенью окисления. Проявляется в биогенных реакциях окисления и восстановления. В основном связана с жизнедеятельностью бактерий. Служит важным проявлением средообразующей функции;

Источник: spravochnick.ru

Энергетическая функция

Органическое вещество морей, океанов и суши многообразно влияет на энергетику Земли. Энергетическая функция живого вещества — это широкое развитие процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Живое вещество существенным образом влияет на содержание парниковых газов в атмосфере. Эмиссия углекислого газа, метана и оксидов азота за счет биогенных процессов ныне существенно превосходит их поступление в атмосферу в результате газового дыхания Земли.

Живое вещество повышает поглощение солнечной радиации земной поверхностью, меняя, порой существенно, отражательную способность (альбедо) не только суши, но и океана. Растительность суши значительно снижает отражение коротковолновой солнечной радиации. Альбедо лесов, лугов и засеянных полей не превышает 25%, но чаще составляет 10—20%. Меньшим альбедо обладают водная поверхность и влажный чернозем, составляя 5%. Поверхность песчаных пустынь, снежный или ледовый покров отражают до 90% солнечных лучей, но когда вследствие изменения климата они покрываются растительностью, уровень альбедо снижается. Сухой снежный покров отражает 85—95% солнечной радиации, а лес, даже при наличии устойчивого снежного покрова, — только 40—45%.

Водная поверхность сама по себе отражает небольшую долю солнечной радиации (около 25—35%). С одной стороны, уменьшению альбедо способствуют организмы, очищающие водные массы от взвесей, а с другой — микропланктон, наоборот, сам по себе препятствует отражению.

Мощный процесс связывания энергии называется транспирацией. Он как бы обслуживает фотосинтез. При этом на переход воды в пар затрачивается не только солнечная энергия, но и теплота нагретых воздушных масс (адективная теплота). В процессе испарения влаги растения оказывают большое Влияние на круговорот воды, а следовательно, на баланс энергии.

С покрытых лесами земель планеты в верхнюю часть тропосферы влага поступает в скрытой форме в виде водяного пара и больших количеств теплоты. На суше самым мощным насосом, перераспределяющим влагу и теплоту в атмосфере, являются влажно-тропические леса. В их пределах, на площади немногим более 10% площади суши, поглощается почти 30% теплоты, затрачиваемой на испарение. Согласно А. Н. Кренке, области, продуцирующие большие потоки теплоты в атмосферу, называются термоактивными зонами. Это не только леса — источники повышенного количества скрытой теплоты, но и пустыни — области мощного восходящего турбулентного потока теплоты.

Насыщение атмосферы влагой над территориями, покрытыми лесной и степной растительностью, противодействует быстрому выхолаживанию с образованием плотных антициклональных масс. Наземный растительный покров дополнительно насыщает атмосферу водяным паром, который является терморегулятором в термическом режиме биосферы.

Особенно большую роль играет живое вещество в защите атмосферы от запыленности. Чем сильнее запылена атмосфера, тем выше ее отражательная способность, тем меньше солнечной энергии достигает земной поверхности.

Главной особенностью растительной массы является процесс фотосинтеза: с одной стороны, идет выработка органической массы, необходимой для питания консументов первого порядка, а с другой — в процессе фотосинтеза вырабатывается кислород путем поглощения углекислого газа. Согласно сведениям, приводимым С. П. Горшковым (1998), живое вещество суши и океана не только аккумулирует биогеохимическую энергию, но и оказывает биогеофизическое воздействие на атмосферу и поверхностные воды гидросферы.

Специфика энергетической функции живого вещества состоит также в том, что часть отмершего органического вещества длительное время способна сохраняться в различных частях биосферы. Главной депонирующей средой являются земные недра, в которых в условиях восстановительной среды мертвое органическое вещество сохраняется в течение многих геологических периодов. Промежуточными резервуарами мертвого органического вещества являются почвы, поверхностные и подземные воды суши, Мировой океан, донные илы. Обновление запасов органического вещества длится тысячелетиями, а в донных осадках — сотни тысяч и миллионы лет. Согласно Е. А. Романкевичу, фоссилизация органического вещества в донных осадках Мирового океана для голоцена составляет 22 млн. т/год. Органическое вещество разлагается бактериями и окисляется. Оно в рассеянном виде присутствует в осадочных горных породах и в определенных ландшафтах, в которых создаются соответствующие благоприятные условия (озерно-болотные системы, поймы и старицы рек, приморские низменности). В этих ландшафтах органическое вещество формируется в виде скоплений торфа, бурого и каменного угля, горючих сланцев, а также нефти и газа, что отражает точку зрения об органическом происхождении нефтегазовых залежей. Однако, как известно, данная точка зрения оспаривается сторонниками гипотезы неорганического происхождения нефти.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в мертвом органическом веществе почв, вод, ледников, в донных осадках морей и океанов содержится примерно на порядок больше энергии, чем в живой массе Земли.

Во всех осадочных породах планеты захоронено, по данным М. И. Будыко и А. Б. Ронова, 11,8*1021 г органического вещества в пересчете на органический углерод.

Существует несколько форм захоронения солнечной энергии в литосфере. Это в первую очередь скопления (месторождения) горючих полезных ископаемых, рассеянное органическое вещество в осадочных породах и, наконец, ее захоронение в форме поверхностной энергии частиц и энергии, аккумулированной в кристаллической решетке. В глинах, по данным С. П. Горшкова, запас энергии может составлять от 21 до 1068 Дж/г.

Крупнейшие кристаллографы Н. В. Белов и В. И. Лебедев рассматривали глины и, в частности каолин, как носители законсервированной солнечной энергии в недрах Земли. Идея о проникновении запасенной солнечной энергии в недра Земли, где она расходуется на процессы метаморфизма и переплавления, т.е. участвует в глубинной жизни планеты, принадлежит В. И. Вернадскому.

В заключение отметим, что энергетическая функция живого вещества выражается следующим образом: транспирация; поддержание низкого альбедо растительным покровом; поддержание низкого альбедо поверхностными планктонными формами; продуцирование парниковых газов; подавление запыленности атмосферы растительностью; фотосинтез; перераспределение с потоками вещества отмершей органики и ее аккумулирование биокосными телами; депонирование органического вещества в различных формах биогеохимической энергии.

Газовая функция. Кислород является продукцией фотосинтеза автотрофных растений. Благодаря этой функции в течение всей геологической истории атмосфера обеспечивалась свободным кислородом, хотя имеются и другие источники кислорода: подводный базальтоидный магматизм, фотодиссоциация воды в атмосфере и ее радиолиз в литосфере. Согласно расчетам В. И. Богатова, кислород современной атмосферы состоит на 30% из кислорода, возникшего за счет фотосинтеза, и на 70% — выделившегося из глубины через дно океана.

Использование кислорода в окислительных процессах во многом связано с деятельностью литотрофных микроорганизмов. В биосфере все построено определенным образом. Одни представители живой природы снабжают кислородом воздух и воды, а другие — фоссилизируют его. Это весьма замечательная функция, так как накопление кислорода или его дефицит отрицательным образом сказываются на жизнедеятельности организмов. В случае высокого содержания кислорода в атмосфере, в частности, более оптимального его значения 21%, резко ускоряются биохимические реакции, что приводит к быстрому старению клеток и способствует высокой горимости растительного покрова. При дефиците кислорода жизнедеятельность животных оказывается подавленной вследствие существенного снижения метаболических реакций.

Огромное влияние живое вещество оказывает на содержание в воздухе углекислого газа. В водах Мирового океана и в водоемах суши, в подземных водах углекислота находится в растворенном виде. В Мировом океане она составляет карбонатную систему. Углекислотный резерв мировой акватории примерно в 60 раз больше, чем атмосферы. Углекислота из вод извлекается организмами, и от их деятельности зависит скорость накопления карбонатного материала.

Исходя из палеогеохимических данных, в течение геологической истории содержание в атмосфере углекислого газа не оставалось стабильным. По результатам исследований М. И. Будыко, А. Б. Ронова и А. Л. Яншина, в раннем карбоне содержание углекислоты в атмосфере по крайней мере было в 10 раз больше, чем в конце доиндустриального периода. Еще больше углекислоты содержала атмосфера в начале фанерозоя и особенно в протерозое.

Хотя воздействие живого вещества на баланс азота в атмосфере не слишком значительно, без него невозможно представить современную атмосферу. Азот является фактором жизнедеятельности для значительной группы микроорганизмов: клубеньковых бактерий, азотобактеров, актиномицетов, сине-зеленых водорослей. Усваивая молекулярный азот, они после отмирания и минерализации обеспечивают корни высших растений доступными формами этого элемента.

О масштабах вовлечения азота в биологический круговорот можно судить по сведениям, приводимым С. П. Горшковым. Из 2,9*1021 г атмосферного азота (78,084% объема) ежегодно в современных условиях 6,9*1018 г азота связывается в первичной валовой продукции биоты на суше и 1,2*1018 г — в первичной продукции Мирового океана. Таким образом, ежегодно в планетарной биоте аккумулируется немногим менее 0,0003% массы азота воздуха, в то время как ежегодно в валовой первичной продукции биоты связывается 13% углекислого газа атмосферы.

Несмотря на скромные размеры потребления азота, планетарная биота оказывает заметное влияние на баланс газов в атмосфере. На баланс азота влияет не только само живое вещество, но и деструкция органических остатков. В почвах при деструкции растительного опада образуется аммиак, который быстро нитрифицируется микроорганизмами до нитритов и нитратов, а затем происходит обратный процесс, т.е. денитрификация, при котором возникает целый спектр газов, среди которых присутствуют N2O, NO, N2.

Биологический механизм играет главную, но не единственную роль в снабжении атмосферы оксидами азота и возвращении в нее молекулярного азота. Оксиды азота возникают при грозовых разрядах и во время наземных и подземных пожаров.

Деятельность микроорганизмов подпитывает атмосферу водородом и метаном. Некоторая часть их выделяется в атмосферу и при вулканических извержениях. Водород диссипирует в космическое пространство. Метан продуцируется в анаэробных условиях в почвах, илах и торфяниках метанообразующими бактериями, которые для этого используют углекислый газ. Например, на рисовых полях при температуре 30°С ежесуточно образуется до 0,2 г СН4 в 100 г почвы в пересчете на сухое вещество.

Огромное количество метана выделяется из мангровых зарослей и животными, перерабатывающими клетчатку. При процессах кишечной ферментации одна овца или коза выделяет в сутки до 15 г метана, а лошадь или корова — 100—200 г. Одними из главных продуцентов этого газа являются термиты.

Метан вместе с другими углеводородами выделяется также из глубинных источников как природного характера (вулканы, гейзеры, фумаролы, разломы), так и природно-антропогенного характера. В последнем случае речь идет о разработке месторождений полезных ископаемых — нефтегазовых, каменноугольных и др. Небиогенные источники дают около 10% метана от общих выбросов.

Существенно по-иному влияют на газовый состав атмосферы растения. Лесная растительность выполняет необыкновенно важную роль по сохранению высокого качества атмосферного воздуха. Кислород, вырабатываемый ею, отличается от продуцированного планктоном морей и океанов. Первый насыщен ионами отрицательного заряда, благоприятно влияющими на здоровье людей. Леса не только обогащают атмосферу кислородом, но и защищают и частично освобождают ее от пылеватых частиц.

Почвенно-элювиальная функция

Современное почвоведение относит к почвам широкий круг поверхностных образований, начиная от торфяников болот и тучных черноземов до каменистых развалов и песков, находящихся в экстремально жарких или холодных условиях. Однако для перечисленных образований больше подходит термин «кора выветривания». В кору выветривания входят как почвы, так и верхние части подстилающих горных пород, преобразованные в гипергенных условиях. В формировании почвенно-элювиального чехла принимают участие не только физико-химические (физическое и химическое выветривание), но и биохимические процессы. В образовании почвенного покрова и коры выветривания принимают участие растения, как низшие, так и высшие, и особенно микроорганизмы. Важное значение имеет накопление почвенного гумуса, в котором аккумулируется ряд важнейших питательных веществ. Разложение гумусовых веществ — это длительно протекающий процесс с участием многих видов микроорганизмов.

Одним из конечных продуктов корообразования является глинистое вещество. Оно активизирует микробиологические процессы и способствует образованию гумуса, а кроме того, сохраняет определенную часть солнечной энергии. Наряду с этим глинистые частички являются хорошими адсорбентами, препятствующими вымыванию гумусовых веществ.

Почвенные организмы перераспределяют органическое вещество, вырабатывают более стойкие его модификации, создают фонд минерального питания растений, преобразуют пористую водоемкую структуру почвы. Особенно большую по масштабам и значению работу проводят дождевые черви. Они непрерывно перерабатывают почву и создают копролиты. Последние представляют собой высокопрочные органоминеральные агрегаты, сцементированные слизистыми выделениями из стенок кишечника червей и обладающие определенной стойкостью к размыву и дефляции. Особенно копролиты ценны как питательный субстрат, так как содержат в значительных количествах растворимые соединения фосфора, калия, магния.

Геохимические особенности и мощность коры выветривания напрямую связаны с ландшафтно-климатической зональностью. Наиболее мощная ферриаллитная и аллитная кора выветривания (латериты) приурочена к влажным тропикам и возникает на хорошо дренируемых приподнятых массивах. Там, где дренаж ослаблен, формируется сиаллитная каолинитовая кора выветривания. Там, где существует ослабленный термический режим, как, например, в умеренном поясе, формируются гидрослюдистые и реже монтмориллонитовые коры выветривания.

В глинистых образованиях коры выветривания в большом количестве присутствуют разнообразные бактерии, жизнедеятельность которых вызывает понижение кислотности циркулирующих вод. Несмотря на то что скорость образования коры выветривания мала и составляет всего 0,02—0,5 мм/год, она играет огромную роль, так как служит местом обитания и работы многочисленных микроорганизмов.

При резком дефиците влаги в жарких пустынях в результате капиллярного поднятия богатых кремнием вод возникает кремнистая аккумулятивная кора — силькреты. При несколько лучшем увлажнении в полупустынях и в сухой саванне формируется аккумулятивная карбонатная кора — каличе. В аридных и семиаридных условиях часто возникает своеобразная гипсовая кора — гажа. В условиях тропического переменно-влажного климата на коре выветривания образуются кирасы, представляющие собой алюможелезистую плотную корку.

Отсутствие промывного режима, низкое содержание в подземных водах биогенных веществ, а также высокая их минерализация служат непреодолимым барьером для развития процессов корообразования.

С переходом из областей с жарким климатом в умеренный и далее в холодный пояс наблюдаются сокращение масштабов биогеохимического выветривания и наращивание интенсивности физического типа выветривания.

Почвенно-элювиальный чехол находится в непрерывном развитии. Он то разрушается, то возобновляется. Процессы размыва наблюдаются в тех районах, где поверхность слабо защищена растительностью. Однако там, где почвенно-элювиальный чехол покрыт растительностью, он хорошо предохраняется от размыва и от воздействия температурного фактора. В этих условиях в случае достаточно высокой увлажненности могут выноситься растворенные соединения, т. е. осуществляться биогеохимическая денудация.

Таким образом, в создании почвенно-элювиального чехла большая роль принадлежит биосу. Биогеохимическим путем создается основная масса глинистого вещества, которое преобладает среди всех существующих осадочных пород. В этом чехле происходят связывание в осадочном материале солнечной энергии и дифференциация некоторых важнейших элементов литосферы. С геохимическим потоком выносятся К, Na, Мg, Са, Fе, Мn и происходит остаточное накопление Al, Sn, О, Н в коре выветривания. И кроме того, почвенно-элювиальный чехол является важнейшим резервуаром и восстановителем качества как поверхностных и грунтовых, так и подземных вод.

Водоочистная функция. Живое вещество прямо или косвенно участвует в воссоздании водных ресурсов. Деятельность организмов-гидробионтов, называемая биофильтрацией, имеет планетарное значение. По данным А. П. Лисицына, океанский зоопланктон отфильтровывает в течение года от взвесей 18 млн. км3 воды. Несколько иные сведения дает А. В. Лапо: весь Мировой океан профильтровывается зоопланктоном всего за полгода.

Биофильтрация построена следующим образом. Зоопланктон фильтрует верхний слой воды до глубины 500 м. Проходя через пищевой канал биофильтратора, взвесь связывается в пеллеты — пищевые комки, которые вследствие своей большей массы и размеров осаждаются на дно. Однако, прежде чем дойти до дна, пеллеты повторно и многократно используются в качестве пищи более глубоководными организмами, в том числе и активно плавающими (нектоном). В осаждении тонкого материала на дно морей и океанов большую роль играют не только процессы биофильтрации, но и коагуляции глинистых частиц при изменении рН среды, а это происходит при смешивании речных и океанских вод.

Организмами очищаются от различных примесей как подземные, так и поверхностные воды суши. Большую роль в очистке воды озера Байкал играет режим работы рачка эпишуры, который профильтровывает воду. Гидрологами было отмечено, что в формировании мутности рек решающую роль играет состояние растительного покрова в их бассейне, а не почвенно-геологические и геоморфологические условия. Роль растительного покрова в этом случае состоит не только в чисто буферной функции, которая гасит ударную силу дождевых капель и блокирует размывающий эффект растекающихся мелких струй, а в том, что значительная часть поверхностного стока благодаря растительности переводится в подземный.

Вода, прошедшая через растительный покров, особенно лесной, отфильтровывается. В ней уменьшаются мутность, цветность, увеличивается прозрачность, улучшаются вкус и запах, уменьшается содержание нитратного и аммиачного азота, существенно сокращается число бактерий. Лесные насаждения очищают поверхностные воды от пестицидов. Наибольшим очистным эффектом обладают сосновые и кленово-липовые ассоциации.

Водорегулирующая функция

В природе система «растительный покров — почва — подпочвенный грунт» представляет собой единый емкий резервуар влаги. Из этого коллектора идет подпитка ручьев и речек, крупных рек, мелких и крупных водоемов. Вследствие этого на реках лесных территорий паводки обычно ниже и случаются реже, чем на безлесых территориях. В сухие сезоны реки лесной зоны полноводнее. Также высок и речной сток с залесенной территории, несмотря на более высокую степень транспирации по сравнению с безлесыми районами.

Лесная и луговая растительность выступает в роли природного насоса. Высокая залесенность — надежная гарантия регулярного водоснабжения в вегетационный период.

Концентрационная функция

Под этой функцией В. И. Вернадский подразумевал способность организмов к избирательному выбору из окружающей среды определенных химических элементов, в результате чего некоторые из них накапливаются в самих организмах.

Элементы концентрируются в связи с физиологическими потребностями организмов или вследствие сильного роста содержания какого-либо вещества в окружающей среде. Второй механизм играет значительную роль в жизнедеятельности людей. Организмы очищают окружающую среду, извлекая из нее загрязняющие вещества. Например, растения поглощают из атмосферы такие загрязняющие газы, как фтористый водород, хлор, диоксид азота, озон, оксид и диоксид углерода, существенно снижают содержание диоксида серы в воздухе.

Другим примером, который приводит в своей работе С. П. Горшков, является создание известкового скелета многими беспозвоночными. В таких организмах содержание кальция и диоксида углерода оказывается существенно большим, чем в окружающей среде.

Способность извлекать различные химические элементы и их соединения из растворов, а затем накапливать их в биомассе в концентрированной форме — одно из важнейших свойств живого вещества. Организмы заимствуют из водной среды углекислые соли кальция, магния, стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор.

Выделения в организмах минеральной составляющей называют биоминералами. Например, в хвое деревьев содержатся тонкие, размером в микроны, частички кремнезема. В клетках некоторых бактерий присутствует сера. Коралловые постройки сложены кальцитом. В раковинах головоногих и двустворчатых моллюсков кроме кальцита присутствуют тонкие пластинки кристаллического арагонита.

В продуктах жизнедеятельности некоторых видов организмов содержание химических элементов во много раз превышает их содержание в окружающей среде: марганца — в 1 200 000 раз, железа—в 650 000 раз, ванадия — в 420 000 раз, серебра — в 240 000 раз.

Все химические элементы по их значению для микроорганизмов делятся на три группы: 1) существенные для питания и жизни клеток (Mg, К, Р, Mn, Zn, S и др.); 2) не существенные, но используемые в функциях клеток (Са, Na и др.); 3) токсичные (Hg, Аs, Cd, Pb, Ag, Be, В и др.).

Существуют группы бактерий, которые извлекают из горных пород определенные химические элементы, тем самым как бы играя роль обогатителей. Таковыми являются бактерии, извлекающие из горных пород железо, золото, серебро и другие элементы.

Организмы, обладающие способностью очищать окружающую среду от токсичных веществ и концентрировать их в себе, могут стать для человека источниками токсичных веществ. Это происходит при передаче по ступенькам трофической цепи поллютантов, когда их концентрация в биомассе быстро нарастает. Увеличение содержания загрязняющего вещества в каком-либо звене этой цепи по сравнению с концентрацией в окружающей среде называется коэффициентом накопления. Например, коэффициент накопления ДДТ для фитопланктона может достигать 8000, для планктонных рыб — 40 200, для хищных рыб — 134 500, для чаек — 2 500 000. Это означает, что при содержании ДДТ в воде 0,02 мг/л в тканях хищных рыб его становится 2,7 г на килограмм живой массы.

Транспортная функция

В течение определенных сезонов организмы совершают различные по дальности миграции. В таких миграциях участвуют огромные объемы живого вещества. Одновременно они совершают важный биогеохимический процесс, перенося огромные объемы химических соединений и элементов из одного региона в другой. И такой перенос редко совпадает с перемещениями воздушных масс.

Организмы играют двоякую роль в переносе химических элементов. Одна из них — активная, называемая анадромным переносом. Оказывается, что масса переноса микроэлементов мошкой и комарами, перелетающими с низинных участков леса на возвышенности, вполне сопоставима с массой переноса микроэлементов в результате стока поверхностными водами.

Другая — пассивное перемещение биомассы, осуществляемое потоками воздуха, поверхностными и грунтовыми водами. Воздушным путем переносятся многие семена. Ветрами переносятся шароподобные массы сухой травы на многие километры. Крупные потоки биогенных веществ возникают при ветровом разносе пыльцы. Большие массы отмершего органического вещества в виде опада и травы, переносимые ветрами, скапливаются в руслах рек, в каналах и в дальнейшем транспортируются речным стоком.

Деструктивная функция

Биогенная деструкция — это способность организмов к разложению вещества в процессе своей жизнедеятельности. Эта функция подробно рассматривалась в качестве составляющей при характеристике газовой функции, при формировании коры выветривания.

Деструктивная функция организмов играет негативную роль в жизнедеятельности людей. Деструктивные организмы могут принести большой экономический ущерб. Например, литофильные микроорганизмы способны разрушать каменные стены и бетонные сооружения; микроорганизмы, питающиеся железом, разрушают железные сваи и мосты. Там, где в грунтовых водах содержатся соединения аммония, деятельность нитрифицирующих бактерий может привести к разрушению стен и фундамента сооружений. Там, где в воду из донных осадков поступает сероводород, тионовые бактерии, окисляя его, вырабатывают серную кислоту, которая разрушает подводные части конструкций из железобетона.

Источник: www.polnaja-jenciklopedija.ru

Особенности живого вещества

Главным в учении Владимира Ивановича Вернадского о биосфере является понятие о живом веществе и его роли в биосферных процессах. Вернадский утверждал, что живое вещество представляет собой уникальное свойство биосферы, является геохимическим единством всего разнообразия рождающихся и умирающих организмов, которые существовали и существуют на Земле. Вернадский выявил особенности живого вещества и его функции в биосфере.

  1. Несмотря на значительное различие в формах и размерах живых организмов, для живого вещества характерно одно общее свойство, которое проявляется в биосфере как физико-химическое единство.
  2. В живых организмах химические реакции протекают намного быстрее, чем в неживом веществе. Большая скорость достигается за счет участия в реакциях ферментов, обычно являющихся органическими веществами белковой природы. Химические реакции в живых организмах упорядочены и для их протекания не требуются жесткие условия (высокая температура, определенная концентрация веществ и др.).
  3. Химические связи, образующиеся в живом веществе, заключают в себе достаточно много энергии. Таким образом живое вещество — это своеобразный накопитель, а также трансформатор лучистой энергии космоса.
  4. Живое вещество подвижно, оно обеспечивает перенос вещества против сил неживой природы (силы тяжести, в горизонтальном направлении). Благодаря движению живое вещество заполняет собой все доступные для жизни среды. Такое «растекание» живого вещества называют давлением жизни. Перемещаясь, живое переносит органические вещества и накопленную в себе солнечную энергию. Вернадский выделял две формы движения живого вещества: пассивную (за счет роста и размножения организмов) и активную (возникающую в результате перемещения организмов). Активная форма движения живого выражается в движении живых организмов.
  5. По сравнению с косным, живое вещество характеризуется намного большим морфологическим и химическим разнообразием. Кроме того, живое вещество постоянно обновляется с помощью размножения, предусматривающего смену поколений.
  6. Живое вещество на протяжении эволюции выполняет геологическую работу, в результате которой возрастает биологическая масса, разнообразие форм жизни, изменяется среда обитания. Все это приводит к изменению физико-химических свойств биосферы.
  7. Живое вещество биосферы представлено в нем в виде дискретных объектов — отдельных живых организмов. Однако организмы не обособлены друг от друга. Особи одного вида живут в популяциях. Популяции разных видов совместно образуют биоценозы. Внутри биоценозов организмы связаны между собой в первую очередь пищевыми цепочками.
  8. Для живого вещества характерно эволюционное развитие.

Благодаря своим особенным свойствам живое вещество представляет собой мощную геологическую силу, своей активностью преобразующую биосферу.

Функции живого вещества в биосфере

Вернадский описал свойства живого вещества, указал как оно воздействует на геологические процессы в биосфере, также он выявил геохимические функции живого вещества. Он распределил функции живого вещества по пяти группам: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические функции человека. Описывая эти группы, Вернадский особое внимание уделял биохимической функции. Он писал: «В отличие от первых трех групп, четвертая группа — биохимические функции — резко отличается тем, что центр ее действия находится не во внешней среде. а внутри организмов. внутри тел живого вещества, связан с их жизнью и смертью».

Позже другие ученые расширили перечень функций живого вещества, хотя все они еще не отражают полностью многообразие его свойств.

Энергетическая функция живого вещества подразумевает поглощение солнечной энергии при фотосинтезе. При этом происходит запасание энергии в химических связях органических соединений. В дальнейшем энергия передается по цепям питания и разложения. В своем космическом проявлении живое вещество выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца.

Геохимическая функция предполагает вовлечение химических элементов Земли в живые организмы и возвращение этих веществ путем биогенной миграции атомов в окружающую среду: в воду, почву, атмосферу.

Концентрационная. Извлечение из окружающей среды и избирательное накопление химических элементов для построения тел живых организмов и вовлечение их в биологический круговорот веществ. Благодаря концентрационной функции живого произошло создание залежей полезных ископаемых: осадочных пород, нефти, углей, горючих сланцев и др.

Газовая функция живого вещества выражается в выделении свободного кислорода, а также переход его в озон; выделение свободного азота, сероводорода, метана и других газов при разложении живого вещества; поддержание на определенном уровне количества углекислого газа в атмосфере. Живое вещество сформировало современный состав атмосферы.

Деструктивная функция проявляется в разложении вещества и вовлечении его в биологический круговорот. Разрушая органику и разлагая минералы, живые организмы избирательно извлекают из них разнообразные химические элементы Земли и вовлекают их в биологический круговорот.

Средообразующая функция — это преобразование физико-химических параметров среды в процессе существования живого вещества. Организмы создают почву, участвуют в изменении климата, определяют своеобразие ландшафта. Перестройку общего лика Земли осуществляет человек.

Транспортная. Перенос вещества против силы тяжести (по вертикали вверх) и в горизонтальном направлении (путем «растекания»).

Историческая. Эволюционное развитие многообразия живых форм и всего живого; организмов, видов, экосистем и биосферы в целом.

Самовоспроизводящая. Все живые организмы происходят только от живых организмов: клетка от клетки, живое только из живого.

Таким образом живое вещество является преобразователем среды и участником всех процессов биосферы. Причем эта деятельность живого проявляется не единично, а массово, постоянно и в огромных масштабах. По этому поводу В.И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

Огромную роль в преобразовании общего лика Земли выполняет человек.

Биосфера — космическое явление

В учении Вернадского о биосфере Земля предстает как маленькая частица гигантской Вселенной, крошечным оазисом, где закономерно создавались условия для возникновения и развития жизни, которую сама планета защищает от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Вернадский подчеркивал, что жизнь на Земле связана с концентрацией солнечной энергии, что живое вещество в форме зеленого растительного мира накапливает эту энергию, которая может сохраняться миллионы лет в виде различных топливно-сырьевых ресурсов (газа, нефти, торфа, угля и т. д.). Одновременно с процессом «собирательства» энергии Земля как открытая система обменивается энергией с космосом. Благодаря тому и другому происходит непрерывное изменение биосферы, ее эволюция, которая идет в сторону роста «свободной энергии биосферы», выражая тем самым наиважнейшую естественно-историческую закономерность развития живого на нашей планете. Термином «свободная энергия биосферы» Вернадский называл работу, совершаемую живым веществом Земли.

Источник: blgy.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.