Пряжа 

Функции биосферы. Биосфера и ее функции Функции биосферы в жизни планеты земля

Благодаря способности аккумулировать солнечную энергию и преобразовывать ее в энергию химических связей органических веществ растений и другим свойствам, биосфера выполняет ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба, основными из которых являются энергетическая и средообразующая.

1. Энергетическая функция биосферы состоит в поглощении рассеянной лучистой солнечной энергии электромагнитной природы. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов. Биосфера способна изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Почти 99% этой энергии поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, и только около 1% поглощается растениями в процессе фотосинтеза и превращается в концентрированную энергию химических связей органических веществ. Эта энергия передается остальным организмам по пищевым цепям.

Реакция фотосинтеза с использованием углекислого газа, воды в общем виде выражается уравнением

В процессе фотосинтеза, одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода, растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. Ежегодно растения нашей планеты связывают около 3 х 10 18 кДж солнечной энергии, что примерно в 10 раз больше той энергии, которая используется человеком.

Растения поедаются растительноядными животными, которые, в свою очередь, становятся жертвами хищников, и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

2. Средообразующая функция. Биосфера - целостная система, в которой все элементы взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играют живые организмы, которые генетически связаны и образуют все структурные элементы биосферы благодаря прошлой или настоящей их деятельности. Окружающая живые организмы физико-химическая среда изменена вследствие их функционирования до такой степени, что биохимические и абиотические процессы оказались неразделимы. В результате их взаимовлияния живые организмы преобразуют среду обитания и поддерживают ее в таком состоянии, которое обеспечивает их существование в глобальном круговороте биогенных химических элементов.

Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие биосферы при ограниченном запасе химических элементов. При прекращении регулирующего взаимодействия биоты физически неустойчивая окружающая среда быстро (примерно через 10 тыс. лет) перейдет в устойчивое состояние, где жизнь невозможна (как на Марсе или Венере).

Выполняя средообразующие функции, живые организмы контролируют состояние окружающей среды и выполняют следующие биохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, деструктивную.

Газовая функция заключается в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций:

а) кислородно-углекислотная функция - создание основной массы свободного кислорода на планете в результате процесса фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями при солнечном свете. В результате фотосинтеза растительность зеленого мира ежегодно выделяет в атмосферу примерно 145 млрд т свободного кислорода и поглощает из атмосферы около 200 млрд т углекислого газа, при этом образуется более 100 млрд т органического вещества;

б) углекислотная функция - образование углекислого газа как следствие дыхания животных, растений, грибов и бактерий:

в) озоновая функция - образование озонового слоя из биогенного кислорода под действием короткого УФ-излучения:

Выполнение этой функции привело к образованию защитного озонового слоя, предохраняющего живые организмы от разрушительного действия солнечной радиации;

г) азотная функция - создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотденитрофи- цирующими бактериями при разложении органического вещества.

В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего углекислого газа, в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению кислорода в атмосфере, образованию озона и другим процессам.

С газовой функцией живого вещества связаны два переломных периода в развитии биосферы. Первый период относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного уровня. Это обусловило появление первых аэробных организмов, способных жить только в кислородсодержащей среде. С этого времени восстановительные процессы стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд лет назад.

Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современного уровня. Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши. До этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой была возможна жизнь.

Вследствие выполнения живым веществом газовых функций в течение геологического развития Земли сложилась современная атмосфера с высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Сравнительная характеристика Марса, Венеры и Земли и гипотетической Земли без живого вещества

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрируют химические элементы и их соединения. В процессе эволюции живые организмы научились из разбавленных водных растворов извлекать необходимые им вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Окислительно-восстановительная функция живых организмов тесно связана с биогенной миграцией элементов и их концентрированием. Многие вещества в природе очень устойчивы и не окисляются при стандартных условиях. Например, атмосферный азот (N 2) является важнейшим биогенным элементом, входящим в состав биогенов ионов аммония NH 4 + и нитратов N0 3 _ . Но молекулярный азот не окисляется при обычных условиях: этот процесс осуществляют ферменты (катализаторы) некоторых живых организмов (нитрофицирующих бактерий). С помощью живого вещества осуществляется множество окислительно-восстановительных процессов во всех геосферах.

Так, окислительная функция проявляется в окислении с участием бактерий, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате восстановительной деятельности анаэробных микроорганизмов в заболоченных почвах, практически лишенных кислорода, образуются окисленные формы железа.

Деструктивная функция - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и веществ органической природы. Наиболее существенную роль в этом выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (детритофаги, редуценты). Конечной стадией деструктивной функции живого вещества биосферы является превращение мертвого органического вещества в неорганическое, в результате чего плодородие почвы увеличивается.

  • 3. Транспортная функция - перенос вещества и энергии в результате движения живых организмов. Часто такой перенос осуществляется на громадное расстояние, например при перелете птиц.
  • 4. Информационная функция. Живые организмы способны воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию и передавать ее последующим поколениям.
  • 5. Рассеивающая функция - рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов, например рассеивание токсичных веществ, рассеивание веществ при выделении организмами экскрементов.

В результате выполнения перечисленных функций биота экосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды, т. е. результатом этих функций является вся природная среда.

Живые организмы постоянно рождаются и отмирают, в них протекают процессы обмена веществ. В отличие от неживой (косной) природы, биосфера представляет собой гигантский химический завод, превращающий огромные массы неорганического вещества в органическое. Это и есть самое важное свойство биосферы, являющейся существенной составной частью жизни Земли как планеты. Биосфера выступает энергетическим экраном между Землей и космосом и превращает значительную часть космической, в основном солнечной, энергии, поступающей на Землю, в низко- и высокомолекулярное органическое вещество.

Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически связаны с ней. Они являются огромной геологической силой, влияющей на функционирование биосферы. В результате обменных процессов изменяются не только сами организмы, но и окружающая их абиотическая среда.

Таким образом, биосферу можно также определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Известный российский биолог Н. В. Тимофеев-Ресовский говорил, что нормально работающая биосфера Земли не только снабжает человечество пищей и ценнейшим органическим сырьем, но и поддерживает в равновесном состоянии газовый состав атмосферы и растворы природных вод. Подрыв человеком (качественный и количественный) работы биосферы, следовательно, не только снизит продуцирование органического вещества на Земле, но и нарушит химическое равновесие в атмосфере и природных водах.

Познание законов биосферы и ее функциональных единиц (экосистем) имеет значение не только для характеристики ее современного состояния, но и для будущего нашей планеты, будущего человечества, так как уже сегодня поверхность Земли перестала быть только природным образованием. Человек своей деятельностью создает новую искусственную оболочку Земли - ноосферу.

Как отмечал В. И. Вернадский, биогеохимическая роль человека за последние столетия стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. При этом использование природных ресурсов происходит без учета закономерностей развития и функционирования биосферы.

Человек - первый обитатель Земли, который реально угрожает практически всем своим соседям по планете и даже самому существованию породившей его биосферы. Развитие человечества сопровождалось разрушением среды обитания организмов, изменением природных ландшафтов, нарастающей эксплуатацией биоресурсов.

Человек с древнейших времен добывал и использовал для своих нужд различные полезные ископаемые. По мере развития научно-технического прогресса все более увеличивались объемы добычи полезных ископаемых и росло число их видов. Если в античную эпоху человечеством добывалось и использовалось всего 19 элементов, то в начале XXI в. используются все 89 химических элементов, содержащихся в земной коре. Возросли и темпы добычи полезных ископаемых. Так, мировая добыча и потребление руд цветных металлов за последние 25 лет увеличились в несколько раз. Запасы большинства полезных ископаемых, находящихся в земной коре, ограничены и со временем могут полностью исчезнуть. Уменьшение запасов сырья уже сейчас заставляет человека искать замену тому или иному полезному ископаемому. Добыча полезных ископаемых при разработке месторождений, как правило, сопровождается гигантскими потерями природных площадей из-за несовершенства технологий добычи, стремления к снижению затрат и т. п. Но, главное, на месте разработки месторождений уничтожаются растения, животные, почва, т. е. нарушаются естественные экосистемы.

Человек начал использовать речные воды на заре цивилизации, когда появилось орошаемое земледелие. В настоящее время возводятся плотины и водохранилища для водоснабжения, орошения сельскохозяйственных угодий, получения электроэнергии, улучшения работы водного транспорта, рыборазведения. Все это нарушает устойчивость водных экосистем, приводит к их изменению, а иногда и гибели (например, экологическая катастрофа Аральского моря).

В настоящее время процесс деградации биосферы принял угрожающие масштабы, уменьшается биологическое разнообразие видов. Сегодня ежедневно исчезает по одному виду живых существ. К концу XX века тропические леса потеряли 15-20% фауны и флоры.

С начала XX в. и до настоящего времени количество энергии, затрачиваемой на единицу сельскохозяйственной продукции, в развитых странах выросло в 8-10 раз, на единицу промышленной продукции - в 10-12 раз, а так как объем производства тоже резко увеличился, то количество требуемой энергии за этот период возросло в сотни раз.

Однако это не может продолжаться до бесконечности, поскольку возникает угроза энергетического, а также теплового кризиса (т. е. перегрева приземной атмосферы в результате получения энергии в количестве, существенно превышающем естественное рассеивание тепла Земли). Но даже использование в будущем неисчерпаемых источников энергии, почти не добавляющих тепло в биосферу, не обеспечивает возможности безграничного развития материального производства, поскольку любое нарушение взаимосвязей в экосистемах означает нарушение энергетических потоков.

Так, в настоящее время человечеством вырабатывается примерно 0,02% той энергии, которая приходит к Земле с солнечными лучами, и лишь немногим меньше, чем поступает из глубины Земли. Это очень много.

В экологии существует правило 1%: изменение энергетики экосистемы более чем на 1% (а иногда и меньше) выводит ее из равновесия. Все мощнейшие геологические и климатические явления на Земле - извержение вулканов, тайфуны и циклоны - имеют суммарную энергию не более 1% энергии солнечного излучения, поступающего на поверхность планеты. Даже весь растительный покров Земли за год накапливает энергию, которая не превышает эту величину. Нарушение энергетики биосферы более чем на 1% может привести к резкому нарастанию энтропии биосферы и, следовательно, к ее гибели вследствие термодинамического кризиса. В настоящее время человечество уже приблизилось к этому пределу и дальнейшее развитие требует принципиальных изменений в природопользовании.

Человечество является частью биосферы и отличается от других компонентов биосферы тем, что оказывает на нее все большее влияние. По масштабам это влияние, особенно в последнее время, является самым значительным по сравнению со всеми известными факторами. Это так называемый антропогенный фактор. Иногда наряду с антропогенным фактором называют техногенный фактор - влияние на биосферу развития техники, различных технологий.

Известный американский эколог Б. Коммонер выдвинул ряд положений, которые в обобщенном виде характеризуют свойства и функции биосферы и которые он в шутливой форме называл “законами экологии”.

Первый закон (“Все связано со всем”) отражает сложнейшие сети взаимоотношений в биосфере. Этот закон предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части биосферы, что может привести к непредвиденным последствиям. Так, строительство гидроэлектростанций на равнине приводит к затоплению большого пространства (искусственное море). Это приводит к изменению не только естественного ландшафта, но и климата в данном и соседних регионах, а иногда и к гибели природных экосистем.

Второй закон (“Все должно куда-то деваться”) вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Этот закон позволяет по-новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные количества веществ, извлеченных из Земли, преобразованы в новые и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что “все куда-то должно деваться”. И как результат - горы веществ (мусора) там, где в природе их никогда не было и не должно быть.

Третий закон (“Природа знает лучше”) исходит из того, что структура современных живых организмов является наилучшей, поскольку были тщательно отобраны из неудачных вариантов в течение миллионов лет эволюции. Попытка создать новый вариант будет неудачной, т. е. этот вариант будет хуже существующего. Этот закон призывает к глубокому изучению природных экосистем и сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее улучшения.

Четвертый закон (“Ничто не дается даром”) объединяет предыдущие три закона, так как биосфера как глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно и поэтому она не может являться объектом всеобщего улучшения. Все, что было извлечено из нее человечеством, должно быть возмещено. Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Пятый закон (“На всех не хватит”) исходит из закона ограниченности ресурсов или “закона константности живого вещества” (В. И. Вернадский) - количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть величина постоянная. Поэтому значительное увеличение численности и массы каких-либо организмов в глобальном масштабе может происходить только за счет уменьшения численности и массы других организмов. “На всех не хватит” - источник всех форм конкуренции в природе и обществе.

Контрольные вопросы

  • 1. Дайте определение биосферы. Совокупность каких факторов привела к образованию биосферы?
  • 2. Какие факторы ограничивают распределение живых организмов в сферах Земли?
  • 3. Дайте определение экосферы. Какова толщина биосферы и экосферы?
  • 4. В течение какого периода проходила эволюция биосферы? Какие события были поворотными в эволюции биосферы?
  • 5. Каковы состав и структура биосферы? Дайте определение живого, косного, биокосного и биогенного вещества. Приведите примеры.
  • 6. Какими свойствами обладает биосфера?
  • 7. Какие функции выполняет биосфера? Какие из них являются определяющими?
  • 8. В чем сущность энергетической функции биосферы? Какие процессы лежат в основе этой функции?
  • 9. За счет каких процессов поддерживается постоянный состав атмосферы?
  • 10. Объясните тезис: биосфера - централизованная система. Что является центром биосферы и почему?
  • 11. Сформулируйте и объясните основные законы экологии Б. Коммонера.
  • 12. Дайте определение ноосферы. Перечислите основные признаки превращения биосферы в ноосферу.

Понятие биосферы

Земля сформировалась примерно $5-7$ млрд лет назад. Первоначально она была безжизненным объектом, возникшим из газопылевой туманности. Под воздействием распада радиоактивных элементов ее вещество разогрелось и расплавилось. По мере остывания вещества произошло разделение «смеси» на отдельные оболочки:

  • гидросферу,
  • атмосферу.

Их химический состав несколько отличался от современного.

Примерно $3,5$ млрд лет назад возникла на нашей планете жизнь. О ее происхождении идут споры по сей день. Но за это время Земля оказалась заселенной разнообразными формами и видами живых организмов. По аналогии с литосферой, атмосферой и гидросферой это образование назвали биосферой.

Определение 1

Биосфера – это часть географической оболочки Земли, которая населенна живыми организмами.

Впервые термин «биосфера» был предложен Э. Зюссом в $1875$ году. А учение о биосфере, как особой части Земли, области распространения живых организмов, создал выдающийся отечественный ученый В.И. Вернадский.

Границы биосферы

По мнению Вернадского, впервые к понятию «биосфера» приблизился в своих идеях знаменитый французский ученый Ж.-Б. Ламарк. В отличии от остальных оболочек нашей планеты - литосферы, атмосферы и гидросферы, биосфера не образует отдельную сплошную оболочку. Она являет собой совокупность всех биогеоценозов Земли, единую экосистему высшего порядка.

Границами биосферы служат границы распространения живых организмов. Поэтому считается, что биосфера занимает практически всю гидросферу , верхние слои литосферы и нижние слои атмосферы.

Точно границы не определены. Известно, что некоторые группы бактерий обитают в толще литосферы на глубине около $4$ км. Проникновению в более глубокие слои литосферы препятствует высокая температура (более $100$°С) горных пород и подземных вод на больших глубинах.

Распространение живых организмов в атмосфере ограничено озоновым экраном. Именно озоновый экран защищает все живое от воздействия космического излучения (особенно – ультрафиолетовых лучей). Споры бактерий и грибов были обнаружены на высоте около $22$ км. Но наличие бактерий на остатках метеоритов подтверждает гипотезы некоторых ученых, что споры некоторых живых организмов могут некоторое время выдерживать влияние открытого космического пространства. Поэтому границы биосферы определены лишь условно. Самая высокая плотность организмов наблюдается там, где самые благоприятные и самые разнообразные условия существования организмов – на стыке земных оболочек.

Свойства биосферы

Всю совокупность живых организмов нашей Земли академик Вернадский назвал живым веществом. Основными характеристиками этого живого вещества он назвал суммарную биомассу, химический состав и энергию.

Энергия живого вещества проявляется в способности всех живых организмов к размножению и распространению. Живым организмам для реакций жизнедеятельности необходимы вещество и энергия. Поэтому главным свойством биосферы является постоянный обмен между организмами и окружающей средой. Из нее живые организмы получают все необходимые вещества. В окружающую среду поступают и продукты обмена веществ. Эти процессы обеспечивают функционирование биосферы как целостной системы.

Замечание 1

В процессе своей деятельности продуценты накапливают солнечную световую энергию, затем превращают ее в энергию химических связей. Именно суммарная первичная продукция автотрофов определяет суммарную биомассу биосферы в целом.

Функции биосферы

Живое вещество биосферы выполняет несколько важных функций:

  1. Газовая функция состоит в том, что живые организмы способны влиять на газовый состав атмосферы, Мирового океана и почвы. Все аэробные организмы поглощают во время дыхания кислород, а выделяют углекислый газ. В процессе фотосинтеза растениями и некоторыми бактериями происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода.
  2. Окислительно-восстановительная функция заключается в том, что с помощью живых организмов происходят окислительно-восстановительные реакции в почве, воде, воздухе.
  3. Концентрационная функция состоит в том, что живые организмы поглощают определенные вещества из окружающей среды и постепенно накапливают их в своих организмах. Например, фораминиферы, моллюски, десятиногие раки накапливают в своих организмах соединения кальция и фосфора, бурые водоросли – йода.

Главная функция биосферы безусловно заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Все функции биосферы так или иначе предопределены деятельностью живого вещества в биосфере, которые в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям. В.И. Вернадским отмечал, что все без исключения геохимические фун­кции живого вещества в биосфере могут выполняться простейшими одноклеточными организмами. Однако одна форма жизни не может выполнять все геохимические функции. Именно поэтому, в ходе геологическо­го времени, происходила смена разных организмов, которые замещали друг друга в исполнении функции без изменения самой функции. Ученым было выделено девять биогеохимических функций биосферы:

Газовая (все газы атмосферы создаются и изменяются био­генным путем);

Кислородная (образование свободного кислорода);

Окислительная (окисление бедных кислородом соединений);

Кальциевая (выделение кальция в виде чистых солей);

Восстановительная (создание сульфидов металлов и серово­дорода);

Концентрационная (скопление элементов рассеянных в ок­ружающей среде);

Функция разрушения органических соединений (разложение с выделением воды, углекислого газа и азота);

Функция восстановительного разложения (образование серо­водорода, метана, водорода и т. п.);

Функция метаболизма и дыхания (поглощение кислорода и воды, выделение углекислого газа с миграцией органических элемен­тов).

Современная классификация несколько видоизменена - некоторые биогеохимические функции объединены, а часть переименована. Наиболее современной является классификация, предложенная А.В. Лапо, в которой выделены следующие функции: газовая; энергетическая; окислительно-восстановительная; концентрационная; деструктивная; транспортная; средообразующая; рассеивающая.

Газовая функция. Под газовой функцией понимается способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО 2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).



В ходе эволюции регуляция газового состава осуществлялась как в результате жизнедеятельности организмов и при разложении их остатков, так и при процессах метаморфизации и вулканизма. Выделяемый диоксид углерода живыми организмами и образующийся в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива) в ходе фотосинтеза СО 2 связывается наземными и водными растениями, с образованием кислорода. Так, например, зеленая масса насаждений на площади 1 га способна производить до 70 т кислорода за вегетационный период. Вернадский считал, что большинство газов, выделяемых при метаморфизме горных пород и извержении вулканов, по своему происхождению биогенны, т.к. являются преобразованными продуктами жизнедеятельности организмов.

Энергетическая функция . Эта функция определяется свойствами светочувствительного вещества - хлорофилла зеленых растений, благодаря которому растения способны улавливать, ассимилировать, трансформировать и аккумулировать солнечную энергию, преобразуя ее в энергию химических связей молекул органических веществ. Органические вещества, созданные зелеными растениями, служат источником энергии для представителей иных царств живых существ.

С энергетической точки зрения образова­ние живого вещества - это процесс поглощения солнечной энергии, которая в потенциальной форме аккумулируется в свободном кисло­роде и органических соединениях. Фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых. Наземная и водная растительность планеты способна аккумулировать в течение 1 года 31021 Ккал. энергии Солнца (примерно в 100 раз больше, чем вырабатывается во всем мире). Минерализация органических со­единений как внутри живых организмов, так и во внешней среде со­провождается освобождением энергии, поглощенной при фотосинтезе. Энергия освобождается не только в тепловой, но и химической форме, носителями которой служат природные воды: обогащаясь СО 2 , Н 2 S и другими продуктами минерализации, воды становятся химически вы­сокоактивными, преобразуя компоненты неживой природы. Бла­годаря автотрофам солнечная энергия не просто отражается от по­верхности Земли, а глубоко проникает вглубь земной коры.

Окислительно-восстановительная функция . Функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества таких процессов как окисление (благодаря обогащению среды кислородом), так и восстановление элементовс переменной валентностью, таких как азот, сера, железо, марганец и др., и прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море).

Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны и используют в качестве источника энергии готовые органические вещества. К ним относятся, например,

Денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния;

- сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм серу до сероводорода (H 2 S).

Микроорганизмы-окислителимогут быть какавтотрофами,так игетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.

Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, образовании залежей сульфидов металлов, возникновение железных и железомарганцевых руд.

Концентрационная функция . Концентрационная функция есть накопление определенных веществ в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных - все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Данная функция связана с избирательным поглоще­нием веществ из внешней среды. Это может быть концентрация в ион­ной форме из истинных растворов (так строят скелет морские беспо­звоночные) или из коллоидных растворов фильтрующими организма­ми. Организмы массами извлекают из ненасыщенных растворов угле­кислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и др. Водоросли концентрируют элементы, содержащиеся в среде в концентрациях не менее 10 мг/л, более энергично действуют бакте­рии. Животные потребляют их из живого вещества автотрофов, кон­центрация многих элементов в них выше, чем в автотрофах. Некото­рые элементы сильно концентрируются в продуктах выделения жи­вотных (например, содержание урана в гуано побережья Перу в 10 тыс. раз выше, чем в морской воде). Некоторые элементы концентрируются очень немногими организмами, но в значительных количествах, например редкий элемент ванадий входит в состав крови примитивных хордовых - асцидий, их культивируют в Японии. В Новой Зеландии нашли кустарник, в золе листьев которого содержится до 1% никеля.

Для оценки степени концентрации элементов живыми организ­мами применяют коэффициент биологического поглощения. Если раз­делить содержание элементов в золе наземных растений на их процент в почве, то полученные коэффициенты составят для кальция, натрия, калия магния, стронция, цинка, бора, селена единицы и десятки, а для фосфора, серы, хлора, йода и брома десятки и сотни.

У морских орга­низмов отношение содержания металлов на сухой вес к их содержа­нию в морской воде измеряется десятками и сотнями тысяч (для тита­на железа, марганца, никеля и кобальта), а иногда и превышают мил­лион (хром). В целом говорят о биофильности элементов биосферы: отношения их среднего содержания в живом веществе к содержанию данного элемента в литосфере. Наибольшей биофильностью характе­ризуется углерод, менее биофильны азот и водород.

Концентрация химических элементов живым веществом может проявляться в виде морфологически оформленных минеральных обра­зований и в виде органоминеральных соединений. Минеральные обра­зования являются продуктами секреции специальных желез, мине­ральный скелет живых организмов может быть карбонатный, фосфат­ный, сульфатный, образованный гидратами, гидроокисями и силика­тами. Скелет животных может быть внутренним и наружным. Мине­ральная составляющая высших растений представлена фитолитами - продуктами выделения в виде кристаллов или округлых включений, состоящих из кремнезема или щавелевокислого кальция. Некоторые многоклеточные водоросли предпочитают подпорки из карбоната кальция. У некоторых животных скелет может быть построен из двух минералов, а иногда в их теле представлен и какой-нибудь третий ми­нерал. Например, у некоторых моллюсков раковины сложены из ара­гонита и кальцита, а жевательный аппарат инкрустирован кристаллами гетита - гидрата окиси железа.

Наибольшее количество минералов образуют многоклеточные животные: моллюски (20 минералов) и позвоночные (17). Большинст­во минеральных образований плохо растворимо в морской воде и по­сле отмирания организмов накапливается в осадках. Органоминераль­ные образования быстро разлагаются и вновь включаются в биологи­ческий круговорот.

Рассеивающая функция – функция живого вещества противоположная по результатам концентрационной функции. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п.

Деструктивная функция . Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений определяет деструктивную функцию живого вещества. За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли, работа по разложению органических остатков. С учетом потребности в кислороде выделяют 2 основных типа процессов разложения: аэробное дыхание и анаэробное дыхание.

Аэробное дыхание – это процесс обратный "нормальному фотосинтезу". В этом процессе синтезированное органическое вещество {СН 2 O} n вновь разлагается с образованием СО 2 и H 2 О и с высвобождением энергии. Все высшие растения и животные и большинство микроорганизмов получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток именно с помощью этого процесса.

Анаэробное (бескислородное) дыхание служит основой жизнедеятельности главным образом у сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие), хотя, как звено метаболизма, оно может встречаться и в некоторых тканях высших животных. Хороший пример облигатных анаэробов - метановые бактерии, которые разлагают органические соединения, образуя метан путем восстановления, либо органического углерода, либо углерода карбонатов. К общеизвестным организмам, использующим брожение, относятся дрожжи, в изобилии встречаются в почве, где играют ключевую роль в разложении растительных остатков.

Многие группы бактерий (например, факультативные анаэробы) способны и к аэробному и к анаэробному дыханию. Однако конечные продукты этих двух процессов различны, и количество высвобождающейся энергии при анаэробном дыхании значительно меньше. Итак, при деструкции органической массы протекают два параллельных процесса разложение органических соединений:

В конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды в аэробных условиях, а

В анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов, что представляет собой процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами.

Процесс разложения органических веществ, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы. Часть органического вещества, попадая в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, именно эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.

Однако процесс разложения имеет место не только для органического вещества, разлагается также и неорганическое вещество. Например, "сверлящие"’ цианобактерии и некоторые водоросли селятся на карбонатных породах, возвращая в биологический круговорот каль­ций, магний, фосфор. Коралловые рифы разгрызаются некоторыми рыбами и морскими ежами, которые поглощают карбонаты кальция, а извергают известковый ил. Алюмосиликаты разлагаются при химиче­ском воздействии: цианобактерии, бактерии, грибы, лишайники воз­действуют на горные породы растворами угольной, азотной, серной кислот (с концентрацией до 10%). Корни елей на бедных почвах также выделяют сильные кислоты. Химически разлагаются в биосфере као­лин, апатит и многие другие минералы. Разлагая минералы, организмы избирательно поглощают из них макро- и микроэлементы. Так, слоновая трава в африканских сава­нах извлекает с 1 га за год 250 кг кремния и 80 кг щелочных и щелоч­ноземельных элементов, а растительность джунглей - даже 8 т крем­ния.

Транспортная функция . Транспортная функция связана с переносом вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ как против сил тяжести, так и в горизонтальном направлении, в то время как не­живое вещество в биосфере перемещается только под действием силы тяже­сти, исключительно сверху вниз. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх (например, растения перемещают растворы из подземных органов в надземные), против уклона местности, из океана – на континент, реализующий, восходящую ветвь биохимических циклов. В горизонтальном перемещении веществ главную роль играют птицы, крылатые насекомые, а также стаи морских рыб, поднимающихся на нерест вверх по рекам. Перенос вещества при этом сопоставим с дей­ствием смерчей и ураганов.

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована законом биогенной миграции атомов (А.И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории» .

Средообразующая функция . Эта функция является в значительной мере результатом совместного действия других функций (интегративной). В конечном счете именно с ней связано преобразование живым веществом физико-химических параметров среды.

Эту функцию можно рассматривать как глобально - вся природная среда создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах, так и в более узком смысле. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв или в том, что леса регулируют поверхностный сток, увеличивая при этом влажность воздуха и обогащая атмосферу кислородом. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Известно, что в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Например, здесь меньше суточные и годовые колебания температур.

Наиболее очевидное проявление средообразующей функции- механическое воздействие, или второй род геологической деятельности живого. Многоклеточные животные, строя свои норы в грунте, сильно изменяют его свойства (при рыхле­нии червями объем воздуха увеличивается в 2,5 раза). Изменяют меха­нические свойства почвы и корни высших растений, скрепляют, пре­дохраняют от эрозии. Например лес способен удерживать почву на склоне 20-40°. Подобно дейст­вуют нитчатые цианобактерии, создающие подобие сети, которая за­щищает почву от эрозии (например в горных почвах Таджикистана содержится иногда более 100 м нитчатых цианобактерий в 1 г почвы - это уже не почва, а войлок).

К основным параметрам, характеризующим физико-химическое состояние среды, относится водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал. Биогенное вещество, образующееся после отмирания живого, попадая на дно водоемов, в болотные почвы, разлагается, и в условиях недостатка кислорода формируется резко восстановительная среда.

Основные газы атмосферы образуются биогенно: кислород и азот, кроме того, доказано, что 50% водорода возникает в результате деятельности живых организмов. Окись углерода также биогенна, в водах океана ее содержание в сотни раз превышает концентрацию, равновесную с атмосферой.

Через биогенное вещество меняется состав природных вод. Продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабобощелочной реакции, полыни и опад саксаула - щелочной, а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума - кислой.

В донных осадках физико-химическая обстановка опре­деляется наличием органического вещества: восстановительная созда­ется при разложении органики сульфатвосстанавливающими бакте­риями с образованием сероводорода (при наличии сульфатов). Если не удаляется сероводород идет самоотравление системы (сероводородная зона Черного моря).

Наибольшее средообразующее влияние оказывают микроорга­низмы, они изменяют среду в соответствии с потребностями. В силь­нокислой среде выделяют нейтральные продукты, в щелочной - ки­слоты. По мнению некоторых ученых, эволюция микроорганизмов шла по пути развития способности изменять среду.

Недавно установлено, что живое вещество изменяет не только химические, но и физические параметры среды, ее термические, элек­трические и механические характеристики. Например, в Черном и Белом морях обнаружен "биоэлектрический эффект": фитопланктон создает электрическое поле с отрицательным зарядом, а скопление отмершего планктона - с положительным зарядом.

Наука получает все новые данные о средообразующей роли жи­вого, при этом растения воздействуют на газовый состав атмосферы и ионный состав океанической воды, а животные почти не влияют на атмосферу, но изменяют катионный состав морской воды.