Биосфера как глобальная экосистема Келин Е.А

их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»; глобальная

экосистема Земли.
Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу.

более 3 млн. видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек

тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».
Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Эдуард Зюсс 1831-1914

В.И. Вернадский (1863-1945)

отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их

деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Влади́мир Ива́нович Верна́дский 

(1863 —1945) — русский, украинский и советский учёный естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель конца XIX века и первой половины XX века. Академик Санкт-Петербургской академии наук, Российской академии наук, Академии наук СССР, один из основателей и первый президент Украинской академии наук. Создатель научных школ. Один из представителей русского космизма; создатель науки биогеохимии.
В круг его интересов входили многие науки: геология, почвоведение, кристаллография, минералогия, геохимия, радиогеология, биология, палеонтология, биогеохимия, метеоритика, 
философия и история

академий наук России, Украины, а также на мировоззрение людей в целом. В. И. Вернадский

проводил большую работу по организации экспедиций и созданию лабораторной базы по поискам и изучению радиоактивных минералов. В. И. Вернадский был одним из первых, кто понял огромную важность изучения радиоактивных процессов для всех сторон жизни общества. Ход исследований радиоактивных месторождений был отражён в «Трудах Радиевой экспедиции Академии наук», в основном это были экспедиции на Урал, в Предуралье, на Байкал, в Забайкалье, на Туя-Муюнское месторождение в Ферганской области (1915—1916) и Кавказ, но В. И. Вернадский указывал на необходимость подобных исследований в южных регионах, в особенности на побережьях Чёрного и Азовского морей. Он считал, что для успешной работы должны быть организованы постоянные исследовательские станции

В.И. Вернадский за работой

его застала Октябрьская революция. Признав независимость Украины как свершившийся факт, В. И. Вернадский

в мае 1918 года вышел из Кадетской партии. 27 октября 1918 года стал одним из основателей и первым президентом Украинской академии наук. 14 июля 1921 года Вернадского арестовали и привезли в тюрьму на Шпалерную. На следующий день, на допросе он понял, что его пытаются обвинить в шпионаже. К удивлению охранников, Вернадский был освобождён. Чуть позднее выяснилось, что друзья Вернадского Карпинский и Ольденбург послали телеграммы Ленину и Луначарскому, — после чего Семашко и помощник Ленина Кузьмин распорядились освободить Вернадского.

г. Харьков

курса геохимии в Сорбонне. Работал в Музее естественной истории и Институте Кюри. В

Париже на французском языке вышел его фундаментальный труд «Геохимия».

структуры океана. Согласно этой концепции, жизнь в океане сконцентрирована в

«плёнках» — географических пограничных слоях различного масштаба.

вещества. Термин «живое вещество» он употреблял в смысле — как

совокупность живых организмов биосферы.
С 1930 году В. И. Вернадский уже не может выехать за рубеж даже за свой счёт, несмотря на вызов Парижского университета. В те времена, видя Вернадского на свободе, многие недоумевали — как он уцелел в годы репрессий (1918-1922)? Причин несколько. Вернадский (а также Ферсман, Карпинский) обладали колоссальным практическим и теоретическим опытом в геологии, а недра — это валюта. И вторая причина — даже в те трагические времена у Вернадского находились заступники. В 1934 году Вернадские поселились в маленьком двухэтажном особнячке на Арбате, заняв второй этаж.

В. И. Вернадский и его ученики в Московском университете в 1911 г.
Слева направо: В. В. Карандеев, Г. О. Касперович, В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, П. К. Алексат.

Алекса́ндр Евге́ньевич Фе́рсман (1883 — 1945) — русский геохимик и минералог, один из основоположников геохимии, «поэт камня» (Алексей Толстой). Действительный член, вице-президент (1926—1929) Академии наук, член Императорского Православного Палестинского Общества.

кардиолога он уезжает на лечение за границу, в Карловы Вары (Чехия).

После курса лечения он работал в Париже, Лондоне, в Германии. Это была его последняя зарубежная командировка, в Европе чувствовалось дыхание будущей войны.
За рубежом Вернадский работает над книгой «Научная мысль как планетное явление», которая была опубликована только в 1977 году.

науку — биогеохимию и внёс огромный вклад в геохимию. С 1927 года до самой смерти занимал

должность директора Биогеохимической лаборатории при Академии наук СССР. Был учителем целой плеяды советских геохимиков. Из философского наследия Вернадского наибольшую известность получило учение о ноосфере; он считается одним из основных мыслителей направления, известного как русский космизм.
Летом 1940 года по инициативе Вернадского начались исследования урана на получение ядерной энергии. С началом войны был эвакуирован в Казахстан, где создал свои книги «О состояниях пространства в геологических явлениях Земли. На фоне роста науки XX столетия» и «Химическое строение биосферы Земли и её окружения»

Казахстане.
В феврале 1943 года там скончалась его жена Наталья

Егоровна, Её утрату он тяжело переживал. В 1943 году к 80-летию со дня рождения «за многолетние выдающиеся работы в области науки и техники» В. И. Вернадский был удостоен Сталинской премии 1 степени.
В конце 1943 года В. И. Вернадский вернулся из Казахстана в Москву.
25 декабря 1944 года у него произошёл инсульт. Владимир Иванович Вернадский скончался 6 января 1945 года в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве

Цитата на могиле:
Мы живём в замечательное время, когда человек становится геологической силой, меняющей лик нашей планеты

называть современной биосферой, (необиосферой), древние же биосферы относят к (палеобиосферам).

Как пример последних можно указать безжизненные концентрации органических веществ (месторождения каменных углей, нефти, горючих сланцев), запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, рудные образования).

большей частью поверхности Земли – 20—25 км.
Гидросфера почти вся, даже

и самая глубокая Марианская впадина Тихого океана (11 022 м), занята жизнью.
В литосферу жизнь также проникает, но на несколько метров, ограничиваясь только почвенным слоем, хотя по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров. В результате границы биосферы определяются присутствием живых организмов или «следами» их жизнедеятельности. Экосистемы являются основными звеньями биосферы.

три геологические оболочки: литосферу, атмосферу и гидросферу, которые в результате

воздействия живых организмов стали биокосным веществом.

Литосфера, "каменная оболочка" Земли, представляет собой верхнюю часть земной коры, измененной в результате физического, химического и биологического воздействия, чаще ее называют просто почвой. Состоит из осадочных пород, ниже которых находятся гранитный и базальтовые слои.

км, ниже проникновение жизни ограничено воздействием высоких температур, отсутствием воды.

Наиболее заселены поверхность Земли и верхний слой почвы.

Гидросфера "водная оболочка" образована Мировым океаном, который занимает около 71% поверхности земного шара, и водоемами суши — реками, озерами — около 5%. Много воды находится в подземных водах и ледниках.

и нектоном.

Атмосфера подразделяется на тропосферу, нижнюю часть атмосферы, высота

которой доходит до 20 км, выше находится стратосфера (до 100 км), еще выше ионосфера.

Заселена только тропосфера, верхняя граница жизни проходит на высоте около 20 км, куда восходящие потоки воздуха заносят споры микроорганизмов.

Геологические оболочки

в озон (О3), который отражает жесткий ультрафиолет (свет с длиной

волны менее 290 нм), вызывающий мутации в клетках живых организмов.

Функции живого вещества

Землю. Физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Но

это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические или минеральные, вещества.
Вернадский писал:
Идея о том, что явления жизни можно объяснить существованием сложных углеродистых соединений – живых белков, бесповоротно опровергнута совокупностью эмпирических фактов геохимии... Живое вещество – это совокупность всех организмов.

многими причинами и факторами, среди которых основными можно назвать:
а) разные

среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная);
б) разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим и др. свойствам.
в) разнообразие генотипов внутри вида, разнообразие видов и разнообразие экосистем.

огромной свободной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии

с живым веществом могут быть сопоставлены только недолговечные незастывшие лавовые потоки.
2. Резкое отличие между живым и неживым веществом биосферы наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом веществе реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее.

3.Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. – устойчивы только в живых организмах (в значительной степени это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

И. Вернадский выделял две специфические формы движения живого вещества:
а)

пассивную, которая создается размножением и присуща как животным, так и растительным организмам;
б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных и в меньшей степени для растений). Живому веществу также присуще стремление заполнить собой все возможное пространство.

5. Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое.
Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены во всех трех фазовых состояниях.

– индивидуальных организмов. Причем, будучи дисперсным, живое вещество никогда не

находится на Земле в морфологически чистой форме – в виде популяций организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.
7. Живое вещество существует в форме непрерывного чередования поколений, благодаря чему современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых эпох. При этом характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса, т. е. воспроизводство живого вещества происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений.

очень важными являются три основных положения, которые
В. И. Вернадский

назвал биогеохимическими принципами:

I принцип. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению т.е. проявляется в способности живого к неограниченному размножению.

созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем

биогенную миграцию атомов. То есть, эволюция видов идёт в направлении увеличения скорости обмена веществ, образования ферментов. II биохимический принцип Вернадского получает подтверждения на самом разнообразном эмпирическом материале. Так, в 1956 году почвовед В.А.Ковда изложил результаты химического исследования более 1300 образцов золы современных высших растений. На этом обширнейшем фактическом материале автор пришел к выводу, что (за несколькими исключениями) зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым. Эта закономерность – одно из частных проявлений II биогеохимического принципа. 

В. А. Ковда  (1904-1991)- ведущий почвовед СССР. Член-корреспондент
АН СССР.

космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей

планете лучистой энергией Солнца. Этот принцип обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможна жизнь.

при разложении энергонасыщенных ве­ществ, передача энергии по пищевым цепям.
В результате

осуществляется связь биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, в основном с солнечной радиацией.
За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле. Недаром Вернадский назвал зеле­ные хлорофилльные организмы главным механизмом биосферы.
Поглощенная энергия распределяется внутри экосистемы между живыми организмами в виде пищи. Частично энергия рассеивается в виде тепла, а частично накапливается в отмер­шем органическом веществе и переходит в ископаемое состоя­ние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других горючих полезных ископаемых.

химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биоти­ческий круговорот,

т.е. обусловливает превращение живого ве­щества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещество биосферы. Особо следует сказать о химическом разложении горных по­род. «Мы не имеем на Земле более могучего дробителя мате­рии, чем живое вещество», — писал Вернадский. Пионеры жизни на скалах — бактерии, синезеленые водоросли, грибы и лишайники — оказывают на горные породы сильнейшее хими­ческое воздействие растворами целого комплекса кислот — угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Раз­лагая с их помощью те или иные минералы, организмы избира­тельно извлекают и включают в биотический круговорот важ­нейшие питательные элементы — кальций, калий, натрий, фос­фор, кремний, микроэлементы.

веществ для построе­ния тела организма или удаляемых из него при

метаболизме. В результате концентрационной функции живые организмы из­влекают и накапливают биогенные элементы окружающей сре­ды. В составе живого вещества преобладают атомы легких эле­ментов: водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих эле­ментов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде. Этим объясняется неоднородность хими­ческого состава биосферы и ее существенное отличие от состава неживого вещества планеты.

Бурая водоросль морская капуста накапливает йод.

по результатам — рассеивающая. Она проявляется через трофическую 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, через кровососущих насекомых.

результате про­цессов жизнедеятельности в условиях, благоприятных для суще­ствования организмов. Эта

функция является совместным ре­зультатом рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья био­логического круговорота; деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для живых организмов эле­ментов.

оболочке произошли следующие важнейшие события: был преобразован газовый состав первич­ной

атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров. «Организм имеет дело со средой, к которой не только он 
приспо­соблен, но которая приспособлена к нему», — так характеризо­вал Вернадский средообразующую функцию живого вещества.

биосферы. Преобладаю­щая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение.
В

про­цессе функционирования живого вещества создаются основные га­зы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.
Хорошо видно, что газовая функция является совокупностью двух основопо­лагающих функций — деструктивной и средообразующей;

Поддержание концентраций кислорода и углекислого газа осуществляется за счет процессов фотосинтеза и дыхания; концентрации азота за счет процессов азотфиксации клубеньковыми бактериями и денитрификации.

веществ, кото­рые содержат атомы с переменной степенью окисления (соеди­нения железа,

марганца, азота и др.). При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восста­новления. Обычно окислительная функция живого вещества в биосфере проявляется в превращении бактериями и некоторы­ми грибами относительно бедных кислородом соединений в поч­ве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислоро­дом соединения. Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биоген­ный сероводород, производимый различными бактериями. И здесь мы видим, что данная функция является одним из про­явлений средообразующей функции живого вещества;

направлении. Еще со времен Ньютона известно, что перемещение потоков вещества

на нашей планете определяется силой земного тяготения. Неживое веще­ство само по себе перемещается по наклонной плоскости исклю­чительно сверху вниз. Только в этом направлении движутся ре­ки, ледники, лавины, осыпи. Живое вещество осуществляет транспортную функцию при миграциях, кочёвках и т.д.

вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени.

За счет активного передвижения живые организмы могут пе­ремещать различные вещества или атомы в горизонтальном на­правлении, например за счет различных видов миграций. Пере­мещение, или миграцию, химических веществ живым веществом Вернадский назвал биогенной миграцией атомов или вещества.

биосфере по естественным путям перехода из внешней среды в организмы,

а затем возвращения во внешнюю среду.

жизни на Земле, совершает биота. Она сама создаёт и поддерживает

необходимые условия для жизни на Земле. Деятельность человека сопоставима с глобальными природными процессами и охватывает весь земной шар, но она, как правило, направлена на улучшение условий жизни для людей и общества, но не для биоты.

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 (О2, СО2, H2S и т. д.) 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».

жизнедеятельности и линьки живых организмов. Понятие биогенное вещество введено В. И. Вернадским в

начале XX в. при создании учения о биосфере.
Пример: уголь - остатки после древних папоротников, известняк - остатки моллюсков, нефть - остатки деятельности бактерий, торф - остатки мхов.

минералы, горные породы.

ресурсов Земли и включает следующие компоненты:
1) Невозобновимые исчерпаемые ресурсы

(например, полезные ископаемые);
2) Возобновимые неисчерпаемые ресурсы(например, абиотические потоки энергии и вещества);
3) Возобновимые исчерпаемые (например, почвы, леса и др. биоресурсы).

процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д.

Организмы в них играют ведущую роль.

Ил — тонкозернистая мягкая горная порода из смеси минеральных и органических веществ, отлагающаяся на дне водотоков и водоёмов.

рассматривал различные гипотезы панспермии в историческом контексте. Пансперми́я (др.-греч. πανσπερμία — смесь всяких семян, от πᾶν (pan) —

«всё» и σπέρμα (sperma) — «семя») — гипотеза о появлении жизни на Земле в результате занесения из космического пространства так называемых «зародышей жизни».
Палеобиогенное вещество.

Как открытая система биосфера только тогда устойчива, когда имеет достаточное

внутреннее разнообразие. Ее разнообразие проявляется в неоднородности климатических зон, сложном рельефе Земли, многообразии биогеоценозов и видов организмов и отдельных генотипов. Устойчивость биосферы обусловливается одновременно постоянством и изменчивостью живого вещества и его окружения. Свойство саморегуляции биосферы проявляется благодаря круговороту веществ и потоку энергии.

(вулканы), нарушение циклов антропогенной деятельности. Воздействуемые компоненты (индикаторы): биологические системы

(виды). Глобальные круговороты веществ и энергии, газовый состав атмосферы, деятельная поверхность суши и океана, температура и солёность океана.
Механизмы (реакции) гомеостаза: компенсационные физико-химические, биологические и биохимические реакции, адаптации видов, видообразование, смена и изменение границ биомов, парниковый эффект и другие.
Критерии успешности гомеостаза: обеспечение условий для жизни (вода в трёх состояниях, постоянство газового состава атмосферы, состава и концентрации солей океана, баланс потоков вещества и энергии и т.д. )

из окружающей природной среды веществ, регенерации воздушного и водного бассейнов

и земель, а также мощностью потоков биогеохимического круговорота.

организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего

потока биогенных элементов и перераспределении энергии.

планеты.
Направления развития для выхода из кризиса следующие:
1. Первое направление

- ограничение потребления путем ограничения потребностей (включая экономию ресурсов и сокращение негативного воздействия на среду). Это направление нужно использовать, но как свидетельствует практика, оно оказывается не очень эффективным.
2. Второе направление - расширение ёмкости экосистем за счет своих изобретений – более эффективных и экологичных технологий для обеспечения своих растущих потребностей (включая новые источники энергии и материалы).