Биосфера, её характеристика и состав

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали  выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже  говорили о химической эволюции как  предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: “Принцип Реди... не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки.” 

Несмотря  на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества. 

4.

Круговорот  химических элементов в биосфере

Вертьянов С. Ю. 

Природные ресурсы 

Каждое животное или растение является звеном в цепях питания своей экосистемы, обменивается веществами с неживой природой, а следовательно — включено в круговорот веществ биосферы. Химические элементы в составе различных соединений циркулируют между живыми организмами, атмосферой и почвой, гидросферой и литосферой. Начавшись в одних экосистемах, круговорот заканчивается в других. Вся биомасса планеты участвует в круговороте веществ, это придает биосфере целостность и устойчивость. Живые организмы существенно влияют на перемещение и превращение многих соединений. В биологическом круговороте задействованы прежде всего элементы, входящие в состав органических веществ: С, N, S, Р, О, Н, а также ряд металлов (Fe, Ca, Mg и др.). 

Циркуляция  соединений осуществляется в основном за счет энергии Солнца. Зеленые растения, аккумулируя его энергию и потребляя из почвы минеральные соединения, синтезируют органические вещества. Органика распространяется в биосфере по цепям питания. Редуценты разрушают растительную и животную органику до минеральных соединений, замыкая биологический цикл. 

В верхних  слоях океана и на поверхности  суши преобладает образование органического  вещества, а в почве и глубинах моря — его минерализация. Миграция птиц, рыб, насекомых способствует и  переносу накопленных ими элементов. Существенно на круговорот элементов влияет деятельность человека. 

Круговорот  воды. Нагреваемые солнцем воды планеты  испаряются. Выпадающая живительным  дождем влага возвращается обратно  в океан в качестве речных вод  или очищенных фильтрацией грунтовых вод, перенося огромное количество неорганических и органических соединений. Живые организмы активно участвуют в круговороте воды, являющейся необходимым компонентом процессов метаболизма (о биологической роли воды см. § 1). На суше большая часть вод испаряется растениями, уменьшая водосток и препятствуя эрозии почвы. Поэтому при вырубке лесов поверхностный сток увеличивается сразу в несколько раз и вызывает интенсивный размыв почвенного покрова. Лес замедляет таяние снега, и талая вода, постепенно стекая, хорошо увлажняет поля. Уровень грунтовых вод повышается, а весенние наводнения редко бывают разрушительными. 

Влажные тропические леса смягчают жаркий экваториальный климат, задерживая и постепенно испаряя  воду (это явление называют транспирацией). Вырубка тропических лесов вызывает в близлежащих районах катастрофические засухи. Хищническое уничтожение лесов способно превратить в пустыни целые страны, как это уже случилось в северной Африке. Круговорот воды, регулируемый растительностью, — важнейшее условие поддержания жизни на Земле. 

Круговорот  углерода. В процессе фотосинтеза  растения поглощают углерод в  составе углекислого газа. Продуцируемые  ими органические вещества содержат значительное количество углерода, распространяющегося  в экосистеме по цепям питания. В процессе дыхания организмы выделяют углекислый газ. Органические остатки в море и на суше минерализуются редуцентами. Один из продуктов минерализации — углекислый газ — возвращается в атмосферу, замыкая цикл. 

В течение 6-8 лет живые существа пропускают через себя весь углерод атмосферы. Ежегодно в процесс фотосинтеза вовлекается до 50 млрд. т углерода. Часть его накапливается в почве и на дне океанов — в скелетах водорослей и моллюсков, коралловых рифах. Существенный запас углерода содержится в составе осадочных пород. На основе ископаемых растений и планктонных организмов сформированы месторождения каменного угля, органогенного известняка и торфа, природного газа и, возможно, нефти (некоторые ученые предполагают абиогенное происхождение нефти). Природное топливо при сгорании пополняет количество атмосферного углерода. Ежегодно содержание углерода в атмосфере увеличивается на 3 млрд. т и может нарушить устойчивость биосферы. Если темп прироста сохранится, то интенсивное таяние полярных льдов, вызванное парниковым эффектом углекислого газа, приведет к затоплению обширных прибрежных территорий по всему миру. 

Круговорот  азота. Значение азота для живых  организмов определяется в основном его содержанием в белках и  нуклеиновых кислотах. Азот, как и углерод, входит в состав органических соединений, круговороты этих элементов тесно связаны. Главный источник азота — атмосферный воздух. Благодаря фиксации живыми организмами азот поступает из воздуха в почву и воду. Ежегодно синезеленые связывают около 25 кг/га азота. Эффективно фиксируют азот и клубеньковые бактерии. 

Растения  поглощают соединения азота из почвы  и синтезируют органические вещества. Органика распространяется по цепям  питания вплоть до редуцентов, разлагающих  белки с выделением аммиака, преобразующегося далее другими бактериями до нитритов и нитратов. Аналогичная циркуляция азота происходит между организмами бентоса и планктона. Денитрифицирующие бактерии восстанавливают азот до свободных молекул, возвращающихся в атмосферу. Небольшое количество азота фиксируется в виде оксидов молниевыми разрядами и попадает в почву с атмосферными осадками, а также поступает от вулканической деятельности, компенсируя убыль в глубоководные отложения. Азот поступает в почву также в виде удобрений после промышленной фиксации из воздуха атмосферы. 

Круговорот  азота — более замкнутый цикл, нежели круговорот углерода. Лишь незначительное его количество вымывается реками или  уходит в атмосферу, покидая границы  экосистем. 

Круговорот  серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и белков. Соединения серы поступают в круговорот в основном в виде сульфидов из продуктов выветривания пород суши и морского дна. Ряд микроорганизмов (например, хемосинтезирующие бактерии) способны переводить сульфиды в доступную для растений форму — сульфаты. Растения и животные отмирают, минерализация их остатков редуцентами возвращает соединения серы в почву. Так, серобактерии окисляют до сульфатов образующийся при разложении белков сероводород. Сульфаты способствуют переводу труднорастворимых соединений фосфора в растворимые. Количество минеральных соединений, доступных растениям, возрастает, улучшаются условия для их питания. 

Ресурсы серосодержащих полезных ископаемых весьма значительны, а избыток этого  элемента в атмосфере, приводящий к кислотным дождям и нарушающий процессы фотосинтеза вблизи промышленных предприятий, уже беспокоит ученых. Количество серы в атмосфере существенно увеличивается при сжигании природного топлива. 

Круговорот  фосфора. Этот элемент содержится в  ряде жизненно важных молекул. Его круговорот начинается вымыванием фосфорсодержащих соединений из горных пород и поступлением их в почву. Часть фосфора уносится в реки и моря, другая — усваивается растениями. Биогенный круговорот фосфора происходит по общей схеме: продуценты®консументы®редуценты. 

Значительные  количества фосфора вносятся на поля с удобрениями. Около 60 тыс. т фосфора  ежегодно возвращается на материк с  выловом рыбы. В белковом рационе  человека рыба составляет от 20% до 80%, некоторые  малоценные сорта рыб перерабатываются на удобрения, богатые полезными элементами, в т. ч. фосфором. 

Ежегодная добыча фосфорсодержащих пород составляет 1-2 млн. т. Ресурсы фосфорсодержащих пород пока велики, но в будущем  человечеству, вероятно, придется решать проблему возвращения фосфора в биогенный круговорот. 

Природные ресурсы. Возможность нашей жизни, ее условия находятся в зависимости  от природных ресурсов. Биологические  и особенно пищевые ресурсы служат материальной основой жизни. Минеральные  и энергетические ресурсы, включаясь в производство, служат основой стабильного уровня жизни. 

Ресурсы принято делить на неисчерпаемые  и исчерпаемые. Энергия Солнца и  ветра, атмосферный воздух и вода практически неисчерпаемы. Однако при  современном неэкологичном промышленном производстве воду и воздух можно лишь условно считать неисчерпаемыми ресурсами. Во многих районах в связи с загрязнением возник дефицит чистой воды и воздуха. Для того, чтобы эти ресурсы оставались неисчерпаемыми, необходимо бережное отношение к природе. 

Исчерпаемые ресурсы делят на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым относятся утраченные виды животных и растений, большинство полезных ископаемых. Возобновляемыми ресурсами  являются древесина, промысловые животные и рыбы, растения, а также некоторые полезные ископаемые, например, торф. 

Интенсивно  потребляя природные ресурсы, человеку необходимо соблюдать природное  равновесие. Сбалансированность ресурсов в круговороте веществ определяет устойчивость биосферы.