Вернадский и биосфера. Впервые термин «биосфера» встречается в работах величайшего французского натуралиста и мыслителя Жана Батиста Ламарка (1744 - 1829), изучавшего ботанику, зоологию и геологию. В его научных трудах термин «биосфера» обозначал область жизни и влияния живых организмов на процессы, происходящие на Земле. Однако дифференциация наук о природе, происходившая быстрыми темпами в XVIII в., привела к тому, что на долгие годы было забыто об исследованиях важных для наук о природе процессов взаимодействия сообществ живых организмов и косных (неживых) оболочек Земли. И только в 1875 г. австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) обратил внимание на место живого в строении и развитии земной коры и вновь после Ламарка ввел в науку термин «биосфера», рассуждая об оболочке Земли в своей книге о происхождении Альп. Затем снова на несколько десятилетий этот термин был предан забвению.
Новую (уже третью) жизнь термину «биосфера» дал выдающийся русский ученый - геолог В.И.Вернадский (1863 - 1945), создавший в 20-х годах XX века современное учение о биосфере. Возможно поэтому введение термина «биосфера» в научный обиход часто приписывается именно Вернадскому.
Изучая историю минералов и миграцию химических элементов в земной коре, В.И.Вернадский выявляет огромную роль живого вещества в геохимических процессах на нашей планете. Для изучения роли живого вещества в эволюции биосферы ему потребовались знания биологии, геологии, химии, на основе которых сформировалась новая наука - биогеохимия. Об исключительной роли живого вещества в биосфере В.И. Вернадский пишет в «Очерках геохимии», опубликованных в 1924г. в Париже и в 1927 г. в Ленинграде. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», в которой представление биосферы как «тонкой пленки жизни», «живой оболочки» Земли оказалось очень своевременным, хотя и несколько опередившим время, учению В.И. Вернадский о биосфере сначала не было оказано должного внимания. Однако изучение последствий радиоактивного и химического загрязнения атмосферы, гидросферы и почв после второй мировой войны заставило ученых и политиков обратиться к учению Вернадского о биосфере, которое получило широкое распространение в западных странах, а затем и во всем мире.
В последние годы жизни Владимир Иванович Вернадский писал в дневнике: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».
Понятие ноосферы (от греч. ноос - разум) также имеет свою историю. Считается, что оно было введено в XIX в. французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарденом (1881 - 1955). Они понимали под этим термином особую оболочку Земли, рассматриваемую в качестве некоего «мыслящего слоя» над биосферой, в который включается индустриальное общество с атрибутами цивилизации (языком, религией и пр.). Однако Вернадский рассматривал ноосферу как новое геологическое явление на Земле и человек в ней впервые становится мощной геологической силой. Как и все живое на Земле, он может мыслить и действовать только в области распространения жизни, т.е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой уйти не может. Вернадский считал, что на данном этапе эволюции биосферы человек будет вынужден не только исправить возникшие в результате его деятельности нарушения в состоянии природы, но и предотвращать подобные нарушения в будущем.
В настоящее время весьма ощутимые последствия научно-технического прогресса, поставившие под угрозу существование человечества на Земле, привели к необходимости предвидения последствий человеческой деятельности во всех странах с целью сохранения биосферы, т.е. жизни на Земле. Поэтому охрана биосферы должна быть заботой всего человечества, живущего на Земле, и как руководителей государств, так и отдельных людей. Для этого каждому надо знать строение биосферы, взаимосвязи происходящих в ней процессов и влияние деятельности человеческого общества на возникающие в биосфере изменения. Выдающийся ученый и мыслитель В.И. Вернадский был уверен, что знание процессов, происходящих в биосфере, и разумная организация жизни и всей деятельности человечества приведут к созданию ноосферы на нашей планете. Однако необходимо отметить, что кроме представлений о неизбежности перехода биосферы в ноосферу, изложенных в учении В.И. Вернадского биосфере, в научном мире существуют и другие взгляды на перспективы развития биосферы.
Общая характеристика биосферы. Биосфера (по В.И. Вернадскому) - оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. Здесь под живым веществом понимается совокупность всех организмов, населяющих Землю. Понятие биосферы несколько условно, так как кроме естественных мест существования органической жизни, создаются и искусственные (космические корабли, подводные лодки) «островки жизни». Органическая жизнь сосредоточена в трех косных (неживых) географических оболочках - геосферах Земли (литосфера, гидросфера и атмосфера). К биосфере относится и человеческое сообщество с его производством.
Еще со времени Ламарка было известно, что процессы происходящие в геосферах Земли, оказывают значительное воздействие на структуру и свойства живого вещества биосферы. Но и само живое вещество, как показал В.И.Вернадский, производит существенное преобразование геосфер. Причем с появлением человечества на Земле это преобразующее воздействие многократно возросло и по некоторым оценкам в настоящее время достигло критического уровня.
Общая совокупность живых организмов, выраженная в массе на единицу площади (суши, акватории, дна водоема) или объема (воды, почвы, осадков), принято называть биомассой. Следовательно, понятие «живое вещество» биосферы эквивалентно биомассе всей Земли. По современным.оценкам сухая масса живого вещества биосферы, составляющая всего 2-3 трлн. т, в тысячу раз меньше массы тропосферы, в десять миллионов раз - массы земной коры и в миллиард раз - массы Земли. Именно ее «ничтожные» размеры длительное время мешали геологам понять исключительную роль жизни на Земле в геологических процессах, на что и обратил внимание В.И.Вернадский.
Распределение массы живого вещества (биомассы) в биосфере крайне неравномерно. На океан приходится лишь 3% суммарной биомассы Земли. Однако вследствие значительно более высокой интенсивности жизненных процессов в океане по сравнению с сушей океан ежегодно производит живое вещество, масса которого составляет более четверти от суммарной продукции биосферы Земли, оцениваемой величиной 230 млрд. т. Несмотря на удивительно малую величину ежегодно производимой на Земле биомассы, накопленное за миллионы лет в осадочных толщах земной коры захороненное органическое вещество и привело к образованию таких полезных ископаемых, как каменные угли, нефть, газ, фосфориты и др.
Фотосинтез и круговорот веществ - основные факторы существования биосферы. Фотосинтез является единственным на Земле процессом, в котором зелеными растениями из бедных энергией неорганических веществ (углекислого газа, воды, минеральных солей) с помощью солнечной энергии в огромных масштабах образуются сложные, богатые энергией органические соединения. Эти соединения, способные к разнообразным химическим превращениям, - основа жизни всех других организмов биосферы. Все виды живых существ, обитающие на Земле, используют в конечном счете одну и ту же форму энергии химических связей. Любое проявление жизни на нашей планете связано с образованием и потреблением этой биохимической энергии.
Источник энергии для фотосинтеза (солнечная радиация) и главный инструмент фотосинтеза (живой организм) преобразуют углекислый газ, воду и минеральные соли в биохимическую энергию. Фотосинтезирующие организмы, использующие солнечную энергию для образования органических веществ из неорганических соединений и углекислого газа и называемые автотрофами (самопитающиеся), преобразуют энергию солнечного света в биохимическую энергию, запасая ее в виде энергии химических связей в сложных органических молекулах. Другие организмы биосферы (большинство бактерий, грибы, животные), нуждающиеся для своего роста и развития в готовых органических соединениях, - гетеротрофы, т.е. питающиеся другими организмами.
Кроме фотосинтеза, другим важнейшим для существования жизни процессом в биосфере является круговорот веществ, осуществляемый благодаря наличию в биосфере автотрофов, создающих органические вещества из неорганических, и гетеротрофов, которые используют эти органические вещества и снова превращают их в неорганические соединения, пополняя запас последних в биосфере. Следовательно, фотосинтез и круговорот веществ - это два основных фактора существования биосферы Земли.
Общее понятие о круговоротах веществ в биосфере. Под круговоротом веществ понимают многократное участие химических веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех частях геосфер Земли, которые включены в биосферу планеты; При этом рассматривают геологический, биологический (биотический), биогеохимический круговороты, а также круговороты отдельных веществ, например, воды и отдельных химических элементов, в частности, биогенных элементов - углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., имеющих важное значение для функционирования биосферы. С точки зрения процессов, протекающих в экосистемах, наибольший интерес для изучения в рамках нашей дисциплины представляет биогеохимический круговорот вещества.
Круговорот энергии в экосистемах. В экологической литературе, наряду с круговоротами вещества, часто рассматриваются круговороты энергии в экосистемах, причем авторы некоторых публикаций, в том числе и учебной литературы, отождествляют круговороты вещества и энергии. Такое представление основывается на том, что движение органического вещества по цепям питания сопровождается направленной передачей биохимической энергии. Однако о круговороте энергии говорить нельзя, поскольку она практически не возвращается от редуцентов к продуцентам. Действительно, как показывают экологические оценки, коэффициент круговорота энергии в экосистемах не превышает 0,25%. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только круговороты веществ в экосистемах.
Круговорот веществ - условие существования жизни. Он возник в процессе становления жизни и усложнялся в ходе эволюции живой природы. Чтобы круговорот веществ в экосистеме был возможен, необходимо наличие в ней организмов-продуцентов, создающих органические вещества из неорганических и преобразующие энергию излучения Солнца, а также организмов, которые используют эти органические вещества и превращают их в неорганические соединения.
Но в любом биогеоценозе очень скоро иссякли бы все запасы неорганических соединений, если бы они не возобновлялись в процессе жизнедеятельности организмов. В результате дыхания, разложения трупов животных и растительных остатков органические вещества превращаются в неорганические соединения, которые возвращаются снова в природную среду и могут опять использоваться автотрофами
Таким образом, в биогеоценозе в результате жизнедеятельности организмов непрерывно осуществляется поток атомов из неживой природы в живую и обратно, замыкаясь в круговорот. Для круговорота веществ необходим приток энергии извне. Источником внешней энергии является Солнце. Движение вещества, вызываемое деятельностью организмов, происходит, как показано ранее, циклически, в то время как поток энергии в этом процессе имеет однонаправленный характер. Из всего сказанного ясно, что круговорот веществ в биогеоценозе - необходимое условие существования жизни.
Известно, что из более 90 химических элементов, встречающихся в природе, 30-40 необходимы живым организмам – это биогенные элементы. Некоторые из них, такие как С, Н и N, требуются в больших количествах, другие – в малых или даже в минимальных количествах. Какова ни была потребность в них, все элементы участвуют в биогеохимических круговоротах, которые имеют вид кольца, направленного от автотрофов к гетеротрофам и от них снова к автотрофам. Биогенные элементы удерживаются в экосистеме, где они совершают непрерывный круговорот, в котором участвуют как живые организмы, так и физическая окружающая среда. Каждый химический элемент, совершая круговорот, следует по своему особому пути. Однако все элементы попеременно переходят из органической формы в неорганическую и наоборот, и приводятся в движение энергией. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества. Рассмотрим круговороты некоторых биогенных элементов:
Круговорот кислорода. В атмосфере вторым по содержанию после азота является кислород, составляющий 21,5% её по весу. Круговорот кислорода относительно прост: он обладает всеми основными чертами, присущими круговоротам биогенных элементов в системе. В атмосфере находится примерно 1,1х1021 г кислорода. Время же круговорота (время переноса) кислорода в атмосфере составляет 2,5 тыс.лет. Свободный кислород в атмосфере расходуется в основном на окисление, дыхание живых организмов. При этом образуется углекислота, которая в процессе фотосинтеза усваивается зелёными растениями и выделяется кислород, поступающий вновь в атмосферу.
Круговорот углерода. Обширные фонды углерода неорганического происхождения – атмосферный диоксид углерода (СО2), растворённый диоксид углерода. Углекислота и карбонатные отложения – участвуют в круговороте углерода в различной степени.
Растения ежегодно ассимилируют примерно 105х1015 г углерода. Из которых 32х1015 г возвращаются в фонд диоксида углерода в результате дыхания растений. Остальной объём обеспечивает дыхание и продукцию животных, бактерий, грибов. Растения ежегодно пропускают через себя от 0,25 до 0,30% углерода, содержащегося в атмосфере и в океанах в виде диоксида углерода и угольной кислоты, и следовательно, весь активный неорганический фонд претерпевает круговорот каждые 300-400 лет. После гибели растений и животных редуценты высвобождают свободный углерод, который поступая в атмосферу и соединяясь с кислородом, образуют вновь СО2.
Сжигание угля и нефти повышает содержание диоксида углерода в атмосфере. На современном уровне использования ископаемого топлива человеком количество диоксида углерода, добавляемого в атмосферу в результате его сгорания, соответствует примерно 2% всего углерода, ежегодно участвующего в круговороте. Эта величина не слишком большая, однако всё же и это количество превышает то, которое поглощается при фотосинтезе живыми организмами. Наблюдение учёных показали, что содержание диоксида углерода в атмосфере за последнее столетие заметно возросло и следует ожидать, что в будущем оно будет возрастать ещё быстрее. Бесспорно, что человек при этом сдвигает стационарное равновесие экосистемы.
Круговорот азота. Путь прохождения азота через экосистему принципиально отличается от пути углерода. Во-первых, большинство организмов не могут ассимилировать азот. Во-вторых, азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании. Главная его роль состоит в том, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование. В-третьих, биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, и некоторые из этих стадий могут осуществляться только специализированными бактериями.
При круговороте азота происходит поэтапный распад органических соединений, в котором участвуют много различных организмов, в результате которого азот в конечном итоге переходит в нитратную форму. Из всех доступных растениям форм, в каких азот содержится в почве, наиболее желательными является аммиак или ион аммония, потому что их превращение в органические соединения требует минимальных химических перестроек.
Биохимические превращения азотсодержащих соединений чрезвычайно разнообразны, потому что азот может соединяться с другими элементами несколькими различными способами. Наиболее важные процессы в круговороте азота – это распад органических азотсодержащих соединений, восстановление нитратов и нитритов до молекулярного азота (N2) и его высвобождение в атмосферу, а также процесс накопления атмосферного азота путём его фиксации азотфиксирующими организмами.
Круговорот фосфора. Фосфор необходим живым организмам в довольно большом количестве, поскольку он представляет собой один из главных компонентов тканей живых организмов и систем переноса энергии. Считается, что недостаток фосфора ограничивает продуктивность растений во многих водных местообитаниях и что поступление фосфора в реки и озёра сточными водами стимулирует повышение продуктивности водной среды местообитания до нежелательного уровня, например, зарастание водорослями водоёмов.
Круговорот фосфора слагается из следующих этапов: растения ассимилируют фосфор в виде фосфат-ионов непосредственно из почвы или воды; у животных фосфор, избыточно содержащийся в их организмах, выводится в виде фосфатов; некоторые группы бактерий аналогичным образом превращают содержащийся в почве органический фосфор в фосфат. Фосфор поступает в атмосферу в единственной форме – в виде пыли. Поэтому в круговороте фосфора в экосистеме вовлечены только почва и вода.
Биогеохимические циклы. Круговорот веществ - это обмен химическими элементами между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы. Осуществление круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии - важная функция трофических цепей в экосистеме. Если трофическую цепь дополнить редуцентами, превращающими органическое вещество в минеральные неорганические соединения, потребляемые продуцентами в процессе образования органического вещества, то получим замкнутую цепь, по которой происходит направленное циклическое движение химических веществ, т.е. круговорот веществ. Такие круговороты называются биогеохимическими круговоротами, или биогеохимическими циклами.
Следовательно, биогеохимические циклы - круговороты питательных веществ, участниками которых являются как живые, так и неживые компоненты экосистемы. Термин биогеохимические циклы был предложен В.И.Вернадским для обозначения замкнутых (в большей или меньшей степени) путей циркулирования в биосфере химических веществ и элементов, которые сначала поглощаются живым веществом, заряжаясь биохимической энергией, и затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию, с многократным циклическим повторением этих процессов. Движение химических элементов по замкнутым циклам является результатом эколого-физиологической взаимосвязи автотрофов и гетеротрофов по цепям питания. Различные виды организмов непрерывно ищут и поглощают в виде пищи вещества, необходимые им для роста, поддержания жизни и воспроизводства вида.
Заметим, что несмотря на то, что из всех водных компонентов биосферы атмосферная влага содержит наименьшую массу воды (ее объем втрое меньше объема поверхностных вод суши и в 150 тысяч раз меньше объема Мирового океана), она имеет наибольшее значение для осуществления биогеохимических циклов, являясь источником осадков и вовлекая в круговорот химические вещества, в том числе и вредные для природных экосистем загрязнители.
