Общая экология

Ноосфера («ноо» - разум, «сфера разума») - новая геологическая оболочка Земли, главный определяющий фактор ее развития. Это понятие было введено франц. математиком и философом Э. Леруа в 1927г., развито в работах П. Тейярда де Шардена и обосновано в работах В.И. Вернадского в 1944 году.

Ноосфера рассматривается как высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением в ней цивилизованного общества. В.И. Вернадский развил представление о ноосфере, как о качественно новой форме организованности, возникающей при взаимодействии природы и общества. В.И. Вернадский писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше». При этом он так же отмечает, что человек неразрывно связан с биосферой, уйти от нее он не сможет, его существование есть ее функция, которую он несет с собой всюду, неизбежно изменяя ее.

2.2.3 Роль В.И. Вернадского в формировании современного учения о биосфере

Учение В.И. Вернадского о биосфере - целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем. Оно основано на следующих принципах.

1. Принцип целостности биосферы.

«Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы» (Вернадский В.И. Биосфера.). Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный механизм. «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма».

Узкие пределы существования жизни подтверждаются физическими постоянными, уровнями радиации и т. п. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду?

Гравитационная постоянная или константа всемирного тяготения, определяет разметы звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакции. Если она будет чуть меньше, звезды станут не достаточно горячими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше, звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в черные дыры.

Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота и углерода.

Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой.

Это находится в соответствии с антропным принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека.

Экология также показала, что живой мир - единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если даже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

2. Принцип гармонии биосферы и её организованности.

В биосфере всё учитывается и всё приспосабливается с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии.

3. Роль живого в эволюции Земли.

На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом… Все минералы верхних частей земной коры - свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и Al (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других - непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни. Лик Земли фактически сформирован жизнью.

4.Космическая роль биосферы в трансформации энергии.

Вернадский подчёркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии. Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли.

5.Принцип давления жизни.

Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

6.Принцип растекания жизни.

Растекание жизни есть проявление её геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

7.Принцип автотрофности.

Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зелёных автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.

8.Принцип поля жизни.

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зелёной растительности, а пределы жизни - физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определённых условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 градуса (от минус 252 до плюс 180 градусов по шкале Цельсия) является предельным тепловым полем.

9. Принцип постоянства жизни.

Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только её форма. Само живое существо не является случайным созданием.

10.Принцип всюдности жизни.

В биосфере существует всюдность жизни. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

11.Принцип нахождения живых элементов.

Формы нахождения живых элементов: а) горные породы и минералы; б) магмы; в) рассеянные элементы; г) живое вещество. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

12.Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере.

Живое вещество является посредником между Солнцем и Землёй и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики в зависимости от внешних энергетических характеристик.

13.Принцип устойчивого равновесия.

Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда её свободная энергия равняется или приближается к нулю, то есть когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

По В.И. Вернадскому вещество биосферы состоит из 7 взаимодействующих, геологически закономерных частей:

Живое вещество. Представляет собой совокупность всех живых организмов, населяющих планету Земля, выраженную в их элементарном химическом составе, биомассе, энергии. Общая масса живого вещества биосферы оценивается приблизительно в 10¹² т. и распределено оно неравномерно. В гидросфере содержание живого вещества максимально на мелководьях (до 200 м.), минимально - в глубинных акваториях, на суше наиболее значительна биомасса тропических лесов; масса растений намного превышает массу животных.

Биогенное вещество - вещество, созданное живым веществом планеты (созданное жизнью).; оно возникло в результате разложения остатков организмов, но еще не полностью минерализовано (уголь, нефть, битумы, известняки и др.). Горючие ископаемые являются мощным источником энергии.

Косное вещество - неживое вещество, образованное процессами, в которых живое вещество не принимало участия, например, изверженные и глубинные горные породы.

Биокосное вещество - структура из живого и косного вещества, которая создается одновременно косными процессами и живыми организмами, например, кора выветривания, почвы и природные воды.

Радиоактивное вещество - вещество, в состав которого входят элементы, ядра атомов которых нестабильны: уран, радий, радон и др.

Рассеянные атомы - химические элементы, концентрация которых в земной коре низка и которые присутствуют как примеси в минералах и рудах, например, галлий Ga, рубидий Rb, таллий Tl и другие).

Вещество космического происхождения - метеориты, метеоритная пыль, все вещество космического происхождения, которое скорее всего абиогенно.

Сущность учения В.И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. По словам Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Вторым важнейшим аспектом учения Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему», 1930г.

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

Важнейшей частью учения о биосфере Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии.

Венцом творчества Вернадского стало учение о ноосфере, т.е. сфере разума.

В целом учение Вернадского о биосфере заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. В настоящее время оно служит естественно-научной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды.

2.2.4 Живое и биокосное вещество, их взаимовозникновение и перерождение в круговоротах веществ и энергии

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой) как и любая экосистема состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена:

почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них есть еще живые организмы, вступающие во взаимодействие с веществом этих пород и физической средой порового пространства;

атмосферным воздухом до высот, на которых возможны проявления жизни;

водной средой.

Биотическая часть включает всю совокупность живых организмов, осуществляющих свою основную экосистемную функцию - биогенный ток атомов, благодаря своему питанию, дыханию, размножению. Тем самым они обеспечивают обмен веществом между всеми частями биосферы. (рис. 6.2. стр. 155).

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биохимических принципа:

стремление к максимальному проявлению, к «всюдности жизни»;

обеспечение выживания организмов, гарантирующего саму биогенную миграцию атомов.

«Всюдность жизни» в биосфере обуславливается потенциальными возможностями и приспособляемостью организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны вышли на сушу и освоили ее. Вернадский считал, что этот захват продолжается.

Но любая экосистема имеет границы. Имеет свои границы и биосфера. К биосфере относят прежде всего те участки, где есть условия для выживания и размножения живых существ - это поле существования жизни. К ним прилегают территории, где живые существа выживают, но не могут размножаться - поле устойчивости жизни.

Поле существования жизни определяется:

оптимальным уровнем освешенности;

достаточным количеством кислорода, углекислого газа и жидкой воды;

благоприятной температурой;

прожиточным минимумом минеральных веществ;

оптимальным уровнем солености среды.

Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов, разнообразных форм и размеров. Химический состав живого вещества подтверждает единство природы - он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих веществ различное и строение молекул иное. Все органические вещества строятся на основе 4-х валентного углерода и его способности присоединять к себе радикалы и образовывать разомкнутые и замкнутые цепочки атомов углерода.

Живое вещество образует ничтожно малый слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых его масса составляет 2420 млрд. т., что более чем в 2000 раз меньше массы биосферы, но оно встречается практически повсюду.

Классификация живого вещества.

Живое вещество биосферы делится на однородное и разнородное; по значению в обновлении жизни - на репродуктивное и соматическое; по способу питания - на автотрофное, гетеротрофное и миксотрофное.

Однородное живое вещество образовано биомассой вещества, которое представлено особями одного вида или рода.

Разнородное живое вещество образовано биомассой вещества, которое представлено особями разных видов, населяющих разнообразные экосистемы: леса, реки, болота и т.д.

Соматическое живое вещество - совокупность всех клеток организма, кроме половых.

Репродуктивное живое вещество - вещество, благодаря которому жизнь в биосфере постоянно воспроизводится.

Все разнообразие видов биосферы связано между собой через питание.

Автотрофы - первичные продуценты органического вещества в биосфере.

Гетеротрофы - выполняют в экосистеме роль консументов и редуцентов, а биомассу, которую они создают, называют вторичной.

Миксотрофы - организмы, со смешанным типом питания.

Везде, где существуют организмы осуществляется биогенный ток атомов, обеспечивающий функциональную целостность биосферы.

2.2.5 Биотические процессы в биосфере

Жизнь на Земле зависит от двух фундаментальных процессов - однонаправленного потока энергии, исходящей от Солнца и круговорота в экосфере химических веществ, необходимых для поддержания жизни организмов.

Солнце - источник энергии для жизни на Земле. Оно освещает, обогревает Землю, используется в процессах фотосинтеза, обеспечивающих жизнедеятельность растений и питающихся ими животных. Солнечная энергия поддерживает круговорот важнейших химических элементов и является движущей силой климатических и метеорологических явлений. Солнечные лучи примерно за 2 минуты пролетают расстояние в 150 миллионов километров до нашей планеты.

Лучистая энергия Солнца на Земле расходуется на Земле следующим образом:

34% - отражается обратно в космос с поверхности Земли, от облаков, пыли и др. веществ, находящихся в атмосфере.

66% идут на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды.

0,023% - улавливаются зелеными растениями и используются в процессе фотосинтеза для образования органических веществ, которыми питаются различные живые организмы.

Большая часть лучистой энергии, достигающая поверхности Земли, поступает в виде светового излучения и волн ближнего инфракрасного спектра.

Основная часть вредного ионизирующего излучения солнца и ультрафиолетовая радиация поглощаются молекулами озона, находящимися в озоновом слое стратосферы и отражается магнитным полем Земли. Без такой защиты жизнь на Земле была бы невозможна.

Исследуя проблемы биологической регуляции окружающей среды, В.В. Горшков, В.Г. Горшков, В.И. Данилов-Данильян и др. (1999) пришли к выводу, что в настоящее время в экологической науке известны две основные концепции взаимодействия биоты и окружающей ее среды.

1. Традиционная.

Окружающая среда пригодна для жизни в силу уникальных условий на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой окружающей ее среде благодаря главному свойству жизни - способности к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся условиям среды. При этом любые виды организмов, способные адаптироваться к окружающей среде и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту.

Согласно традиционной концепции -- изменение окружающей среды под воздействием человека - это определенный этап естественного эволюционного процесса - превращение биосферы в новую глобальную биосистему, а природное биоразнообразие - генетический ресурс человека, который следует охранять лишь в заповедниках, зоопарках и генных банках. При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного использования ресурсов биосферы.

По мнению В.В. Горшкова и др. (1999), в традиционной концепции фактически игнорируются экологические ограничения на численность популяций биологических видов, в том числе и человека, а также причины образования естественных сообществ, устойчивость сообществ и их среды обитания.

2. Концепция биотической регуляции окружающей среды.

Биота земли рассматривается как единственный механизм поддержания пригодных для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах. В случае прекращения регулирующего воздействия биоты физически неустойчивая окружающая среда быстро (примерно за 10 тыс. лет) перейдет в устойчивое состояние, при котором жизнь невозможна (как на Марсе или Венере).

В этой концепции главным свойством жизни считается способность видов к поддержанию тех условий окружающей среды, которые пригодны для существования биоты на любом экосистемном уровне, а не способность к непрерывной адаптации к изменяющимся условиям этой среды. Биотическая регуляция окружающей среды возможна благодаря скореллированному взаимодействию между организмами и средой.

Эволюция биосферы убедительно свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу - природном или антропогенном - ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия. Отсюда очевидно, что экологические условия есть продукт взаимодействия биоты и окружающей среды, и лишь правильная оценка этого взаимодействия позволяет разработать достоверные методологические подходы к сохранению и даже улучшению экологической обстановки в случае нарушения ее на всех экосистемных уровнях, вплоть до глобального.

2.2.6 Круговороты биогенных элементов и их модификация

Количество неорганических веществ, из которых автотрофы создают органические вещества в биосфере конечно, но оно приобрело свойство бесконечности через круговороты веществ.

Круговорот веществ - многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере в том числе и в тех их частях, которые входят в состав биосферы.

Основных круговоротов веществ в природе 2: большой (геологический) и малый (биохимический).

Большой (геологический) круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7. стр. 162). Процесс происходит по спирали, т.е. новый цикл круговорота не повторяет в точности предыдущий, а вносит что-то новое, что со временем приводит к значительным изменениям.

К большому круговороту относится и круговорот воды между сушей и океаном, через атмосферу.

Малый (биохимический) круговорот веществ в природе, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Данный круговорот для жизни биосферы главный. Он является порождением жизни и поддерживается живым веществом.

Главным источником энергии круговорота является солнечный свет, который обеспечивает фотосинтез. Эта энергия неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе, количество тепла на единицу поверхности в 3 раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80⁰ с.ш.). В зависимости от типа переноса вещества и энергии в экосистемах выделяют 2 вида малого круговорота.

1. Биологический - перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических связей (пищевых цепей) (рис. 5.1. стр. 119).

Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемых трофической цепью и имеет место в водных экосистемах, особенно в планктоне с его активным метаболизмом. Но в наземных экосистемах он невозможен, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ от растения к растению.

В масштабах биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует другой круговорот.

2. Биогеохимический - обмен микро- и макроэлементов и простых неорганических веществ (СО₂, Н₂О) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходят в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называются биофильными (биогенными). Данные элементы или их соединения необходимы для жизнедеятельности организмов, их роста, размножения.

Элементы, необходимые организмам в больших количествах носят название макробиогенные элементы. Это основные - С, N, O, H, и не основные - Ca, Mg, Na, Cl, K.

Остальные элементы называются микробиогенными. Это Fe, Co, I, F, CU, Br, Se, Si, B и др. Отсутствие или недостаток микробиогенных элементов ведет к заболеваниям организмов. Большинство элементов на Земле находятся в таком состоянии, что они не могут использоваться живыми организмами прямо, но в процессе круговорота происходит преобразование их в те формы, которые могут быть использованы живыми организмами. Соединения биогенных элементов, необходимых организму называются питательными веществами. Это:

органические вещества (белки, жиры, углеводы, витамины);

неорганические вещества (вода, минеральные соли, СО₂).

Наибольшее значение имеют круговороты воды, углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора и серы.

2.2.7 Круговороты газообразного и осадочного циклов

Все биогеохимические круговороты подразделяют на 2 основных типа: круговорот газообразных веществ и осадочные циклы.

Круговорот газообразных веществ - заключается в перемещении питательных веществ из атмосферы и гидросферы в живые организмы и обратно; они быстротечны и длятся от нескольких часов до нескольких дней.

Осадочные циклы включают движение питательных веществ между земной корой (почва, горные породы), гидросферой и живыми организмами. Элементы в этих циклах перемещаются значительно медленнее, чем в газообразных циклах. ряде случаев период их обращения достигает нескольких тысяч лет; в осадочных циклах участвуют более 35 химических элементов (Р, Са, S, Fe и др.)

Круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества. В.И. Вернадский выделил 5 таких функций:

газовая - основные газы атмосферы земли, азот и кислород биогенного происхождения, как и все подземные газы - продукт разложения отмершей органики;

концентрационная - организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит С - среди неметаллов, Са - среди металлов. Концентраторами Si являются диатомовые водоросли, I - морские водоросли (ламинария), Р - скелеты позвоночных животных;

окислительно-восстановительная - организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

биохимическая - размножение, рост, и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

биогеохимическая деятельность человека - охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов С, как уголь, нефть, газ, и др., для хозяйственных и бытовых нужд.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

резервный фонд - огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами;

обменный фонд - значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением.

Следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а запасает, связывает солнечную энергию - это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на земле.

2.2.8 Кругообороты воды, углерода, азота, фосфора и серы

Кругооборот воды.

Влага испарившись с поверхности океана конденсируется в атмосфере и в виде осадков выпадает на сушу или обратно в океан. При попадании на сушу она возвращается в океан в виде поверхностного и подземного стоков.

Его главная функция: формирование природных условий на нашей планете.

В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 5000 тыс. км³ воды. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн. лет

Кругооборот углерода.

В круговороте углерода, точнее, наиболее подвижной его формы - углекислого газа - четко прослеживается его перемещение по трофическим цепям: продуценты, улавливающие углерод в составе углекислого газа при фотосинтезе, консументы - поглощающие углерод в составе органических веществ, составляющих тела продуцентов и консументов более низших порядков, редуцентов - возвращающих углерод вновь в круговорот.

Скорость оборота углекислого газа - порядка 300 лет.

В мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) - консументы (зоопланктон, рыбы) - редуценты (микроорганизмы) - осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса (содержат до 500 млрд т ), что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода приводит к возрастанию содержания углекислого газа в атмосфере.

Кругооборот кислорода.

Скорость оборота кислорода - 2 тыс. лет. За это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество.

Основной источник кислорода - зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53 * 10⁹т кислорода на суше, а в океанах - 414 * 10⁹т.

Процесс корговорота кислорода в биосфере сложен, поскольку он содержится во многих химических соединениях.

Главный потребитель кислорода - животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. В настоящее время 23% кислорода, производимого в процессе фотосинтеза, расходуется на промышленные и бытовые нужды и потребление кислорода неуклонно возрастает. Это одна из глобальных проблем.

Кругооборот азота.

Охватывает все области биосферы. Запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78%), но поглощение его растениями ограниченно, т.к. они усваивают азот только в форме соединений с углеродом и кислородом. Усваивать азот из воздуха могут азотофиксирующие клубеньковые бактерии, являющиеся симбионтами бобовых культур и обитающие в клубеньках на корнях последних.

Редуценты (деструкторы) - почвенные бактерии - постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды, загрязняя их. Азот в форме нитратов и нитритов может усваиваться растениями и передаваться по пищевым цепям.

Азот возвращается в атмосферу вместе с газами, выделяемыми при гниении.

Роль бактерий в цикле азота такова, что по мнению некоторых ученых, если будет уничтожено 12 видов бактерий, участвующих в превращениях азота, жизнь на Земле прекратится.

Кругооборот серы и фосфора.

Не менее важны кругообороты серы и фосфора, но они менее совершенны, т.к. основная масса данных элементов содержится в резервном фонде земной коры, в недоступном фонде. Это типичные осадочные биогеохимические циклы. Такие циклы очень зависимы от внешних воздействий и легко нарушаются, поскольку часть вещества выводится из круговорота. Возврат веществ в круговорот возможен только в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.

Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность земли в зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в море в виде апатита.

Общий круговорот фосфора можно подразделить на две часть: водную и наземную.

В водных экосистемах он усваивается планктоном и передается по трофической цепи до консументов 3-го порядка - морских птиц. Их экскременты (гуано) вновь попадают в море и вступают в круговорот или накапливаются на берегу и затем смываются в море с осадками. Из отмирающих животных фосфор частично попадает по трофическим цепям в круговорот, а частично скелеты достигают больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.

В наземных экосистемах фосфор извлекается из почвы растениями и далее распространяется по трофической цепи. В почву он возвращается или с экскрементами или после отмирания животных. Теряется фосфор из почв в результате водной эрозии. Повышенное содержание фосфора в водных путях вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов, их эвтрофикацию. Большая часть фосфора уносится в море и там осаждается, выводясь из круговорота на долгие годы.

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора у нее есть резервный фонд и в атмосфере. В обменном фонде преобразования серы идут в процессе жизнедеятельности организмов, одни из которых являются окислителями, другие восстановителями.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов(FeS₂ и др.), в растворах в виде иона (SO₄^2-), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н₂S) или сернистого газа (SO₂). В некоторых микроорганизмах сера накапливается в чистом виде (S₂) и при их отмирании на дне морей образуются залежи чистой самородной серы.

В морской среде сульфат - ионы являются основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до сероводорода. Другие микроорганизмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы - так продолжается круговорот.

Круговорот серы может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому - сжигание ископаемого топлива - угля. Сернистый газ (SО₂) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. В процессе добычи и использования полезных ископаемых, загрязнения природных вод в результате хозяйственной деятельности люди воздействуют на круговороты превращая их из циклических в ациклические. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности направлена на то, чтобы сохранить цикличность биогеохимических процессов. Это необходимое условие поддержания гомеостаза планеты.

2.2.9 Основные теории происхождения биосферы

Важнейшие представления о возникновении и развитии биосферы обосновал Вернадский.

Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции, в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Рассмотрим этапы эволюции биосферы. Для этого проследим путь преобразования вещества с образования неорганических веществ в космическом пространстве и формирования планетарных систем.

Эволюция химических элементов в космическом пространстве.

Изучением космического пространства занимаются многие науки, отпочковавшиеся от астрономии или возникшие на стыке наук. Одна из них - спектроскопия - возникла на стыке химии и астрономии. Предмет ее исследования - спектры звезд. Это позволяет идентифицировать химические элементы, составляющие звезды, определить их температуру и многое другое. С конца 19 века было зарегистрировано более 2 млн. спектров примерно 15 тыс. звезд, в том числе и Солнца. На их основе был сделан вывод, что всюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же химические законы.

Водород - наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из 1 протона и 1 электрона. Если первичное вещество Вселенной состояло из одного водорода, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии.

4Н 1Не + Е излучения

1 протон 2 протона

1 электрон 2 электрона

2 нейтрона

m(Н) = 1,0079 а.е.м.

m(4Н) = 4,0316 а.е.м. m(Не) = 4,0026 а.е.м.

m = 0,029 а.е.м. - разность масс между массой 4-х атомов Н и 1 атома Не - превращается в энергию излучения (по законам сохранения энергии и вещества).

Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Реакции последних между собой приводят к возникновению более сложных молекул и их комплексов, а в дальнейшим пылевых частиц. С помощью спектроскопии было доказано, что межзвездное вещество состоит из газов - Н, Не, Ne и пылевых частиц, состоящих их металлов и других элементов. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газо-пылевой материи - туманности. Туманности встречаются по всей нашей галактике.

Например, ближайшая к нам, гигантская туманность в скоплении Ориона, имеет около 15 световых лет в диаметре и содержит такое количество газа и пыли, которого достаточно для образования 100000 звезд размером с наше Солнце. Ещё одна туманность - Млечный Путь, имеющая диаметр около 100000 световых лет.

Образование планетарных систем.

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения впервые была высказана Кантом и позднее развита Койпером, Альвеном, Камероном и подтверждается рядом доказательств.

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитационных сил, оно становится неустойчивым - в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают и поэтому облако сжимается. По мере возрастания плотности вещества под воздействием гравитационных и других сил облако дробится на облака более мелкого размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в несколько раз превышающие по массе и размерам Солнечную систему. Такие облака называют протозвездами. Массивные протозвезды далее образуют крупные и горячие звезды, менее массивные протозвезды формируют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее первых. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, превышение которого привело бы к дальнейшей фрагментации и нижним пределом, определяемым минимальной массой, которая требуется на поддержание ядерных реакций.

В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества еще мала. По мере возрастания плотности вещества поглощается все большее количество энергии излучения и в результате возрастает температура. На этой стадии смесь газов состоит из Н, Не, Ne, NH₃, CH₂, H₂O, HCN. Эти газы поглощают все больше энергии излучения, диссоциируют, подвергаются ионизации. Когда молекулы полностью ионизируются, температура быстро возрастает до тех пор, пока сжатие почти полностью прекращается, так как давление газа начинает уравновешивать силы тяготения. Завершается фаза быстрого гравитационного сжатия (коллапса). Протозвезда продолжает медленно сжиматься, она становится более компактной и горячей, так как теперь тепло излучается только с ее поверхности. Увеличивается скорость вращения пылевых облаков, вследствие чего форма пылевого облака меняется от сферической к дискообразной. Температура все возрастает и начинаются термоядерные реакции образования гелия из водорода, протекающие с высвобождением большого количества энергии.. Температура уравновешивает силы дальнейшего гравитационного сжатия.

Внутри туманностей - областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли - возникают молодые звезды, а вокруг них планеты.

Эволюция Земли на ранних стадиях.

Исходя из вышеизложенного, состав первичной атмосферы Земли состоял из Н, Не, метана, аммиака и воды. Постепенно самые легкие элементы - Н, Не - диффузно утрачиваются из атмосферы, притягиваясь гравитационным полем планет-гигантов. Среди органических веществ первичной атмосферы были, вероятно те, которые ныне обнаруживаются в кометах: молекулы со связями С-Н, С-N, N-Н, О-Н. Кроме того, по мере гравитационного разогрева земных недр из них стали выделяться Н, метан, аммиак и вода и др.

Дальнейшая эволюция вещества шла под воздействием различных видов энергии. Это:

распад атомов неустойчивых элементов;

ультрафиолетовое излучение;

вулканизм;

удары метеоритов;

молнии.

В 1924г. И.А. Опарин предложил первую концепцию химической эволюции, согласно которой первичная атмосфера земли была бескислородная. В 1953г. Г.К. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов. Среди полученных продуктов были обнаружены аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты).

Путем расчетов и экстраполяции некоторых геологических данных, с учетом температурных границ устойчивости органических соединений были определены температурные границы первичной Земли - от 20 до 200⁰.

Позднее в лабораторных условиях были абиотически получены такие органические молекулы, как альдегиды, нитраты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины,,, нуклеотиды и др.

Таким образом условия на первобытной земле можно охарактеризовать следующим образом.

Первичная литосфера.

В молекулярной эволюции только кора сыграла важную роль. Её состав: AL, Ca, Fe, Mg, Na, K и др. О изменении состава земной коры во времени в настоящее время ничего не известно.

Первичная гидросфера.

На поверхности первичной Земли находилось менее 0,1 объема воды сегодняшних океанов.

Среда воды первичного океана - слабощелочная. (рН = 8-9).

Постепенно происходит конденсация океанов.

Первичная атмосфера.

На самой ранней стадии из Н, который диффундировал в космическое пространство. Затем, атмосфера, которую принято называть первичной, образовалась из вулканических газов.

Было предложено 3 варианта состава первичной атмосферы:

Восстановительная: СН₄, NH₃, H₂O, H₂ (с высоким содержанием NH₃);

Слабоокислительная: СО₂, СН₄, NH₃, N₂, H₂O(с низким содержанием NH₃);

Нейтральная: СН₄, N₂, H₂O.

Все эти преобразования относятся к раннему архею. Биосфера на данном этапе отсутствует.

Возникновение протобиополимеров - более сложная проблема. Необходимость их существования очевидна, поскольку они ответственны за протоферментативные процессы: гидролиз, декарбоксилирование, дезаминирование, перекисное окисление, брожение, фотохимические реакции, фосфорилирование, фотосинтез и др.

2.2.10 Биохимическая эволюция живых организмов

Теорий возникновения протобиополимеров - основы жизни на Земле несколько. Рассмотрим наиболее важнейшие из них.

Теория Панспермии.

Данной точки зрения придерживались Аррениус, Гельмгольц, Берг, Вернадский, микробиолог Заварзин.

Согласно данной точки зрения жизнь зародилась в космосе и первые живые существа были привнесены на Землю из космоса вместе с космической пылью, метеоритами. Таким образом, жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама планета.

Однако встает вопрос, где появилась первая жизнь? По мнению микробиологов, жизнь могла возникнуть в космосе, в пределах Солнечной системы (космо-химическая теория). Эта химическая, а затем биологическая эволюция происходила до образования Земли.

Доказательством является сравнительный анализ вещества космоса и Земли: основными химическими элементами везде являются О, Н, С, N.

Концентрация вещества в космосе очень мала, поэтому, вероятно, первые элементы жизни связаны с космической пылью, которая имеет следующее строение:

Размещено на http://www.allbest.ru

1

Под воздействием ультрафиолетовых лучей, которых в космосе очень много, могли протекать химические и биологические процессы. В метеоритах найдены углеводороды: пурины, пиримидины, аминокислоты. Впервые органические вещества в метеоритах выделены Берцелиусом. Жизнь на поверхность Земли могли доставлять и кометы. Химический состав комет не отрицает это. Органические вещества в «замороженном» состоянии в метеоритах и кометах могли оставаться неограниченно долгое время и, попав на Землю, при благоприятных условиях могли продолжить развитие.

Аргументы против данной теории:

· длительное пребывание в холоде должно быть губительно, но эксперименты подтверждают, что зародыши простейших микроорганизмов в течение 6 мес. переживают температуру -200^оС;

· ультрафиолетовые лучи губительны для в сего живого, но в отсутствии кислорода сложные органические соединения могут существовать не разрушаясь при жестком ультрафиолетовом излучении;

· прохождение метеоритов через атмосферу вызывает значительное повышение температуры, метеориты оплавляются, но есть данные, что микроорганизмы могут переносить высокие температуры и они вполне могли сохраниться внутри метеоритов.

Таким образом, нет фактов, доказывающих полную несостоятельность этой теории.

Термическая теория.

Реакции конденсации, которые привели бы к образованию полимеров из низкомолекулярных предшественников, могут осуществляться путем нагревания. Наиболее хорошо изучен синтез полипептидов. Идея термического синтеза полипептидов принадлежит американскому ученому С. Фоксу, который длительно изучал возможности образования полипептидов в условиях, существовавших на первобытной Земле.

Если смесь аминокислот нагреть до 180-200⁰ С при нормальных атмосферных условиях или в инертной среде, то образуются продукты расщепления, небольшие олигомеры, в которых мономеры соединены пептидными связями, а также малые количества полипептидов. Полипептиды, полученные термическим путем из аминокислот, - протеиноиды - проявляют многие специфические свойства биополимеров протеинового типа. Однако, более сложные структуры получить не удалось. Не выдвинуты обоснованные теоретические пути данного процесса.

Низкотемпературная теория.

Авторы - румынские ученые К. Симонеску и Ф. Денеш, ведущее значение в качестве источника энергии отводят энергии холодной плазмы.

Холодная плазма широко распространена в природе. Некоторые ученые считают что 99% Вселенной находятся в состоянии холодной плазмы. На современной Земле она представлена в виде молний, северных сияний, ионосферы. На абиотической Земле этот вид энергии был способен превращать молекулы в свободные радикалы, активные в химическом отношении. В результате экспериментов с холодной плазмой авторами теории были получены отдельные мономеры, полимеры пептидного типа и липиды.

Теория адсорбции.

Основным контраргументом в спорах об абиогенном возникновении полимерных структур является концентрационный барьер и недостаток энергии для конденсации мономеров в разбавленных растворах. Действительно, по некоторым оценкам концентрация органических молекул в «первичном бульоне» составляла около 1%, что не могло обеспечить протекания реакций полимеризации или поликонденсации в быстрые сроки, как это произошло на Земле по оценкам некоторых ученых. Одно из решений этого вопроса, связанное с преодолеванием концентрационного барьера, было предложено Дж. Д. Берналом, считавшим, что концентрирование разбавленных растворов происходит путем «адсорбции в пресноводных или морских отложениях очень тонких глин».

В результате взаимодействия веществ в процессе адсорбции некоторые связи ослабляются и рвутся, другие возникают, что приводит к разрушению одних и образованию других веществ.

Коацерватная теория.

В 1924г. Выходит в свет книга А.И. Опарина «Происхождение жизни», в которой он выдвигает гипотезу, что происхождение жизни на земле есть результат длительного эволюционного процесса на самой Земле. Сейчас зарождение жизни не возможно, т.к. все экологические ниши заняты и есть кислород - сильный окислитель.

В 1929г. Выходит статья Дж. Холдейна, где он независимо от Опарина приходит к таким же результатам. Но приоритет открытия Опарина однозначен.

Опарин считает, что жизнь на Земле могла возникнуть абиогенным путем. Первые живые организмы были гетеротрофами. Это могло произойти при наличии определенных химических веществ, источников энергии, отсутствии газообразного кислорода и при наличии безгранично длительного времени.

Вероятность самозарождения жизни по Опарину 1/1000 случаев в год, но времени было достаточно от возникновения Земли до появления первых прокариотов (1 млрд лет).

Опарин выделил 4 этапа возникновения жизни на Земле.

1 этап. Образование органических веществ.

Вначале масса Земли была раскалена, постепенно она остывала. В это время углерод соединялся с металлами с образованием карбидов:

С + Ме (Ni, Fe) =карбиды (обнаружены в метеоритах).

В первичной атмосфере Земли были C, H, N.

C + 4H = CH₄

C + N = CN

N + 3H = NH₃

O₂ + 2H₂ = 2 H₂O

C + O₂ = CO₂

Спектральные исследования показали, что эти вещества присутствуют на солнце и других звездах. Свободный кислород отсутствовал. По мере остывания пары воды могли конденсироваться с образованием первичных водоемов.

Источниками энергии для первичной химической эволюции могли служить:

· распад К⁴⁰;

· ультрафиолетовое излучение;

· вулканизм;

· удары метеоритов;

· молнии.

В водной среде под воздействием этих видов энергии могли появиться спирты, альдегиды, кислоты.

Гипотеза Опарина вызвала много споров и научных исследований.

В 1953г. Миллер сконструировал специальную установку и провел следующие эксперименты. Через смесь газов CH_4, NH_3, H₂O и H₂ он пропускал электрический ток. К концу недели были получены аминокислоты аланин и глутамин.

Оро провел подобный эксперимент, используя в качестве энергии ультрафиолетовое излучение при высокой температуре и получил урацил, рибозу и дезоксирибозу.

Теорию Опарина подтверждают и палеонтологические данные. Первые органические молекулы найдены в слоях, соответствующих возрасту 3,8 млрд лет назад.

2 этап. Полимеризация мономеров.

Доказать полимеризацию в естественных условиях трудно, т.к. полимеры легко разрушаются. Т.е. реакции полимеризации и поликонденсации могли идти только при мягких условиях реакции при наличии катализаторов. Ими могли быть цианиды.

Данные реакции по предложению Дж. Д. Бернала могли осуществляться на границе земля - вода, на скоплениях глин, которые являются прекрасными адсорбентами. Многие виды глин эффективно адсорбируют сахара, азотистые основания, кислоты. При высокой концентрации потенциальных мономеров при наличии внешней энергии могли протекать процессы полимеризации.

3 этап. Появление коацерватов.

Молекулы первых органических соединений, в т.ч. и белков, находились в растворах. Они образовывали коллоидный раствор. При смешивании различных коллоидных растворов возникали фазово-обособленные органические системы - капли белков, отличающиеся друг от друга - коацерватные капли, имеющие некую структурную оболочку, образованную определенным образом ориентированными молекулами. Эта оболочка отделяет каплю от внешней среды, превращая ее в дискретную единицу, содержащую набор химических веществ, отличный от внешней среды. Через эту оболочку возможен обмен веществ между коацерватом и внешней средой по типу открытых систем. Внутри коацерватов под действием катализаторов могла происходить самосборка полимерных молекул в многомолекулярные фазово-обособленные образования - видимые под оптическим микроскопом капли. В них сосредотачивается большинство полимерных молекул, тогда как окружающая среда почти их лишена. Коацерваты могут объединяться, образуя более сложные структуры, поглощать меньшие, делиться на дочерние образования. Таким образом, возникает простейший метаболизм. Вещество входит в каплю, полимеризуется, обуславливая рост системы, а при его распаде продукты этого распада выходят во внешнюю среду, где их раньше не было.