Учение Вернадского о биосфере. Структура биосферы. Живое вещество как функция биосферы

Только продуценты способны сами производить для себя пищу. Более того, они непосредственно  или косвенно обеспечивают питательными элементами консументов и редуцентов.

2. Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных. К консументам первого порядка относятся, например, некоторые рыбы, питающиеся фитопланктоном; к консументам второго порядка — хищники и паразиты растительноядных организмов. Встречаются консументы третьего и четвертого порядка (сверхпаразиты, суперпаразиты и т. д.). Всего в цепях питания обычно бывает не более пяти звеньев.

В зависимости  от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

- фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву.

- хищники (плотоядные) – консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными.

- эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

3. Редуценты (восстановители) — животные, питающиеся разлагающимися организмами (сапрофиты).

Существует  два основных класса редуцентов:

- Детритофаги – напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки (пример: шакалы, грифы, дождевые черви).

- Деструкторы  – разлагают мертвую органическую  материю на простые неорганические  соединения (процесс гниения и  разложения). Примером могут служить  грибы и микроскопические одноклеточные  бактерии. Они способствуют минерализации  органических веществ, их переходу  в продуцентное состояние. Особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (минеральные соли, углекислоту, воду, простейшие органические вещества и т. д.), используемые в дальнейшем растениями для фотосинтеза новых органических веществ. При непосредственном участии микроорганизмов в круговорот включается любая форма жизни. С их помощью осуществляется естественная регуляция биосферы.

2.2 Функции живого вещества

Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит  в том, что он впервые обратил  внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет  в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Важнейшими функциями являются энергетическая, газовая, концентрационная, деструктивная функция, средообразующая.

1. Энергетическая функция. Растения поглощают солнечный свет и насыщают энергией биосферу. Около 10% улавливаемой солнечной энергии используется самими продуцентами (в основном, на процессы клеточного дыхания), остальная часть по пищевым цепям распределяется по экосистемам биосферы. Некоторое количество энергии консервируется в виде полезных ископаемых (угля, нефти), насыщая энергией земные недра.

В энергетической функции иногда выделяют окислительно-восстановительную функцию. Хемосинтезирующие бактерии, являясь продуцентами, извлекают энергию из окислительно-восстановительных реакций неорганических соединений. Серобактерии получают энергию, окисляя сероводород, а железобактерии — двухвалентное железо до трехвалентного. Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения аммония до нитритов и нитратов. Именно в расчете на работу бактерий на поля вносят в качестве удобрения соединения аммония, сами по себе эти соединения не усваиваются растениями. Непосредственное удобрение полей нитратами приводит к насыщению запасающих тканей растений водой, фиктивному увеличению урожайности, резкому ухудшению вкусовых качеств овощей и опасности заболеваний пищеварительной системы.

2. Газовая функция. Обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение

3. Концентрационная функция. Живые существа концентрируют в своих организмах различные химические элементы, рассеянные в биосфере. Активнейшими концентраторами являются микроорганизмы. До 90% почвенного азота — результат "труда" синезеленых. Из бактерий одни концентрируют железо (например, окисляя хорошо растворимый в воде гидрокарбонат до нерастворимого гидроксида, накапливающегося в среде их обитания), другие — марганец, третьи — серебро. Бактерии способны увеличивать содержание: железа — в 650 тыс. раз, марганца — в 120 тыс. раз, ванадия — в 420 тыс. раз.

Эта удивительная способность позволила ученым предположить, что сообщества бактерий вносят существенный вклад в формирование месторождений  металлов.

Германий  и селен в некоторых странах  добывают из растений. В водоросли  фукус накапливается титана в 10 тыс. раз больше, чем в окружающей морской  воде. Каждая тонна бурых водорослей содержит несколько килограммов  йода. Австралийский шелковистый  дуб концентрирует алюминий, один из видов американского дуба —  медь, сосна накапливает бериллий, береза — стронций и барий, лиственница  — марганец и ниобий, а черемуха, осина и пихта — торий. Золото "собирают" дуб, кукуруза, хвощ, бурые  и красные водоросли, а в 1 т  золы полыни может содержаться до 85 г этого драгоценного металла. Моллюски концентрируют никель, осьминоги  — медь, медузы — цинк и алюминий.

4. Деструктивная функция. При активном участии живых существ идет минерализация органических остатков, выветривание горных пород. Синезеленые водоросли, бактерии, грибы и лишайники выделяют серную, азотную, угольную, а также органические кислоты, разрушающие твердые породы. Корни деревьев и растений тоже выделяют разъедающие соединения. Существуют бактерии, разрушающие стекло и даже золото.

2. Средообразующая. Живые существа формируют почву, поддерживают состав атмосферы и гидросферы. Без фотосинтеза атмосферный кислород израсходовался бы за 2000 лет, а рост количества углекислого газа через 100 лет привел бы к гибели организмов. За день лесной массив способен поглотить до 20-25% углекислого газа из слоя воздуха в 50 м. Среднее дерево обеспечивает кислородом 4 человек, один гектар лиственного леса вблизи города задерживает более 100 т пыли в год.

Благодаря деятельности маленьких байкальских рачков, трижды в год процеживающих всю воду озера, Байкал славится своей чистой водой. Двустворчатые моллюски Волгоградского водохранилища, дважды в месяц профильтровывая полный его объем — 35 км3, осаждают на грунт с апреля по ноябрь более 29 млн. т взвеси.

Разнообразные функции живого вещества позволяют  ему проводить грандиозную геологическую  работу, формировать облик биосферы, активно участвовать во всех ее процессах.

Еще одним  главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского  является разработанное им представление  об организованности биосферы, которая  проявляется в согласованном  взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма  и среды. «Организм, - писал В. И. Вернадский, - имеет дело со средой, к которой  он не только приспособлен, но которая  приспособлена к нему».

Это взаимодействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В. И. Вернадского, в прошлом не придавали  значения двум важным факторам, которые  характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

• открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;
• явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В. И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, можно утверждать, что оно может существовать и  развиваться только в рамках целостной  системы биосферы. Не случайно поэтому В. И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования  биосферы и происходящих в ней  биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей  планеты и в первую очередь  ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости  земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в  основном климат на планете, а последний  в свою очередь – жизненные  циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором  всех геологических, химических и биологических  процессов на нашей планете. Эту  ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения  энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее  отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

• изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;
• в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";
• только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859 г.);
• живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В. И. Вернадский высказывает предположение, что  живое вещество, возможно, имеет  и свой процесс эволюции, проявляющийся  в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения  среды.

Для подтверждения  своей мысли он ссылается на непрерывный  рост центральной нервной системы  животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в  упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в  то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше”. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю  биосферу в целом, в том числе  и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления  о формах превращения вещества, путях  биогенной миграции атомов, т.е. миграции химических элементов при участии  живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.

3. Процесс развития биосферы

Важнейшей частью учения Вернадского являются представления о ее возникновении  и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного  взаимодействия абиотических и биотических  факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая  роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих  автотрофов – цианобактерий и сине-зеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались и гетеротрофы, и  прежде всего – животные. Главными датами их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появления человека.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера.
2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.
3. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью». (В. Вернадский)
4. Грандиозный геологический эффект деятельности обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.
5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.