Границы Биосферы и распространение в ней живых организмов

Другой пример биокосного вещества - донные отложения водоемов. Иловые отложения неглубоких озер, в котором значительную долю составляют живые и отмершие одноклеточных водоросли и бактерии, имеют название сапропель. Толщина слоя сапропеля в некоторых озерах Беларуси достигает нескольких метров. В нем содержится много полезных биологически активных соединений. Сапропель используется как удобрение и как лечебные грязи в санаториях.

Живое вещество играет важнейшую роль в Биосфере. Выделяют пять основных его основных функций:

1. Энергетическая функция. В Биосфере имеет место непрерывной поток энергии, обеспечивающий процессы круговорота вещества. Единственный источник энергии, обеспечивающий существование земной биосфера – это энергия Солнца.

Солнечный свет, падающий на поверхность Земли, используется растениями при фотосинтезе. При этом из углекислого газа и воды создается органического вещества. Это вещество является единственным источником пищи для всех остальных живых существ, включая микроорганизмы, грибы и животные, в том числе и человека.

Таким образом, живое вещество Биосферы аккумулирует солнечную энергию, трансформирует ее в другие виды энергии – энергию химических связей органических соединений, и в конечном итоге – в тепловую энергию.

2. Окислительно-восстановительная функция. В живых организмах происходят многочисленные окислительно-восстановительные реакции, без которых жизнь невозможна. Благодаря этому значительно ускоряется круговорот элементов с переменной валентностью в природе.

Большинство окислительно-восстановительных реакций идет с поглощением энергии. Энергия активации таких реакций обычно не менее 100 – 150 ккал моль^-1, тогда как энергия теплового движения молекул при температуре, близкой к 20^оС, не превышает 5 – 10 ккал моль^-1. Поэтому окислительно-восстановительные реакции в неживой природе на поверхности Земли происходят лишь при разрядах молний, пожарах, извержениях вулканов и т.п. В живых организмах окислительно-восстановительные реакции проходят с участием ферментов, которые понижают энергию активации.

Примером окислительно-восстановительной функции является участие микроорганизмов в биогенном круговороте азота. Бактерии-азотфиксаторы превращают молекулярный азот земной атмосферы (N₂) в аммиак (NH₄). Затем бактерии-нитрификаторы превращают аммиак в нитриты (NO₂) и нитраты (NO₃). Процессы превращения азота имеют важнейшее значение для обогащения почвы соединениями азота и повышения ее плодородия.

3. Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением и минерализацией отмирающих организмов. При этом происходит превращение органических веществ в неорганические - кислород, углекислый газ, аммиак, минеральные соли. Эти вещества возвращаются в биосферу и включаются в новые круговороты вещества.

В процессах разрушения отмершего органического принимают участие многие виды животных, растений и грибов.

4. Газовая функция обеспечивает круговорот газов в атмосфере и гидросфере Земли. Например, весь кислород в земной атмосфере производится растениями при фотосинтезе, а преобладающая часть углекислого газа - растениями и животными - в процессе дыхания. Весь кислород земной атмосферы оборачивается через живые организмы примерно за 2000 лет, а углекислый газ – даже за 300 лет.

Живое вещество имеет также важнейшее значение в круговороте азота, сероводорода и метана.

5. Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами определенных химических элементов из окружающей среды. Например, имеются отдельные виды животных и растений, способные извлекать из окружающей среды и накапливать в своих организмах самые разные элементы и создавать из них новые органические и минеральные вещества. При определенных условиях эти вещества удаляются из круговорота веществ в Биосфере. Благодаря этому на Земле возникли огромные запасы органических подземных ископаемых – угля, нефти, газа и т.д. имеющих неоценимое значение для существования земной цивилизации.

В пространственном аспекте Биосфера включает самую верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы. На поверхности Земли нет ни одного места, где не было бы живых существ или следов их жизнедеятельности.

В морских и континентальных водоемаз жизнь распространена до самых больших глубин. Даже на дне самой глубокой в Мировом океана Марианской впадины (глубина 11 034 м), где давление воды превышает 1000 атмосфер обитают не только бактерии, но и мелкие рыбки и беспозвоночные.

Однако распространение фотоавтотрофных организмов ограничивается глубиной проникновения света, которая в значительной степени зависит от прлзрачности воды и других факторов. Прозрачность значительно снижают растворенные и взвешенные в воде органические и неорганические вещества. Кроме того, глубина проникновения света снижается с уменьшением длины волны, наибольшей проникающей способностью обладают красные лучи, а наимегьшей – зеленые.

Поверхностный слой водоема, куда проникает достаточно света для осуществления процесса фотосинтеза, называется эвфотическойзоной. В незагрязненных участках Мирового океана глубина эвфотической зона от поверхности достигает до 200 м. В пресных водоемах, воды которых часто содержат много ила, толщина эвфотической зоны значительно меньше. Например, в самом глубоком на Земле озере Байкал (1645 м) эвфотическая зона превышает 30 – 50 м. В озере Нарочь (глубина до 30 м) прозрачность не превышает 5 – 7 м. В самых загрязненных пресных водоемах эвфотическая зоне не превышает 2 – 5 см.

Однако фотоавтотрофные организмы способны длительное время существовать лишь до тех глубин, на которых когда величина их первичной продукции превышает или хотя бы равна затратам энергии на дыхание. Глубина, где эти показатели равны, называется компенсационной точкой.

Компенсационная точка различна у разных групп растений, самая глубокая она у красных водорослей, поскольку они используют для фотосинтеза красные лучи.

Однако все автотрофные организмы в определенной степени способны и к гетеротрофной фиксации углекислого газа.

Хемоавтотрофные организмы в гидросфере распространены до самых больших глубин, но наиболее обильны они вблизи подземных гидротермальных источников. Они находятся на дне Атлантического и Тихого океанов на глубинах 2 – 3 км в районах срединно-океанических хребтов.

Ряд ученых не исключает возможности существования жизни и в водах верхних слоев мантии («вторая биосфера во «второй гидросфере»). Во всяком случае в гидротермальных водах, изличающихся на дно океанов, обраружены мельчайшие сферические образования, по форме напоминающие бактерий.

На поверхности Земли высшие растения (лиственные и хвойные) поднимаются в горы до высоты приблизительно 5,5 км, а травянистые растения – до 6,2 км. Выше – в эоловой зоне, до высот примерно 7 км, обитают пауки, клеши, ногохвостки и др, беспозвоночные. Там они питаются заносимыми ветром пыльцой растений и другими органическими остатками.

Большинство птиц и летающих насекомых не поднимаются выше 50 – 100 м над поверхностью. Лишь немногие виды птиц (напр., хищные, журавли) способны взлететь на высоту 2-3 км. Небольшая птичка чечевица, обитающая в Гималаях, вьет гнезда на высоте 5,5 км.

Однако споры некоторых бактерий и грибов заносятся атмосферными потоками на высоты до 22 км, или до самого озонового слоя. Там они в принципе могут выбиваться солнечными лучами за границы земной атмосферы и путешествовать в космическом пространстве под воздействием солнечного ветра. Однако на Луне земные споры обнаружены не были.

В почвенном слое животные встречаются до глубины 5-10 м. Корни некоторых растений, живущих в пустыне, уходят в глубину до нескольких десятков метров –до второго водоносного слоя. Микроорганизмы встречаются в нефти, добываемой с глубины до 4 км. На глубинах до 4 км сосредоточены огромные залежи органических подземных ископаемых - нефть, горючие сланцы, газ - остатки биосфер Земли предыдущих геологических эпох.

Развитие науки и техники значительно расширило границы Биосферы. Например, космические корабли и обитаемые космические станции можно считать фрагментами земной биосферы, вырванными из нее и временно заброшенными в космическое пространство.

Основные этапы эволюции Биосферы

Поскольку Биосфера существует на планете Земля, необходимо кратко остановиться на происхождении Земли как планеты Солнечной системы и возникновении жизни на ней.

На месте Солнечной системы прежде находилась гигантская звезда (Протосолнце), которая образовалась еще на начальном этапе эволюции Вселенной. В ее недрах в результате сильнейшего гравитационного сжатия температура достигала нескольких миллиардов градусов. В результате реакций термоядерного синтеза, происходивших при таких высоких температурах и давлении, в недрах звезды образовались все химические элементы Периодической таблицы Менделеева, вплоть до самых тяжелых. В конце своей жизни (около 9 миллиардов лет назад) эта звезда взорвалась с образованием огромного газо-пылевого облака. Сжатие остывающего облака под действием силы тяготения привело к образованию шарообразного сгущения, которое быстро разогревалось; в нем вновь начались реакции термоядерного синтеза атомов гелия из атомов.

Приблизительно 6 миллиардов лет назад в центре сгущения произошел новый термоядерный взрыв. Он привел к образованию Солнца и разбросу остатков более холодного вещества, находившегося на периферии скопления. В нем содержались не только легкие газы, но и соединения железа, кремния, а также тяжелые радиоактивные элементы. В этом веществе, вращавшемся вокруг Солнца, постепенно образовались локальные сгущения, («протопланеты»), в том числе и «Протоземля».

В результате выделения тепла при сжатии и распаде радиоактивных элементов вещество «Протоземли» приблизительно 5,5 миллиардов лет назад разогрелось до температуры 10 000^оС. Это привело к полному его расплавлению с образованием огромной жидкой капли; выделявшиеся из нее газы дали начало первичной атмосфере Земли. Через 1000 млрд. лет остывающая поверхность Протоземли покрылась твердой, хотя еще очень горячей, тонкой и хрупкой оболочкой; с ее образованием завершился процесс формирования Земли как планеты.

Ряд ученых полагает, что жизнь была занесена на Земле в виде спор микроорганизмов из какого-то другого района Вселенной («теория панспермии»). Переносчиками этих спор считались метеориты и кометы, в большом количестве падающие на поверхность Земли. Когда-то попавшие на Землю споры нашли здесь благоприятные условия и в процессе длительной эволюции дали начало всем видам земных организмов.

Эта теория не противоречит данным науки, интерес к ней в последние годы значительно возрос. Споры земных бактерий и грибов весьма устойчивы к условиям космического пространства. В экспериментах в состоянии анабиоза они в течение многих лет они не теряли жизнеспособность в вакууме и при температурах, близких к абсолютному нулю (-273^оС). Споры бактерий способны выжить и при космической радиации. Живые бактерии обнаружены в системе охлаждения ядерных реакторов, где выдерживают облучение до 2 - 3 млн. рентген.

Самые мелкие споры потоками земной атмосферы поднимаются до высоты 20 – 22 км. Оттуда они теоретически могут быть выброшены в Космос под давлением солнечного излучения, или «солнечного ветра».

Земные споры, переносимые «солнечным ветром», способны достичь Луны всего за несколько часов, а Марса (70 млн. км) - через несколько недель. Поэтому земные споры вполне могли бы положить начало жизни на других планетах, как и внеземные – на Земле. Однако в образцах лунных пород, доставленных на Землю, никаких микроорганизмов пока не найдено.

В падающих на Землю метеоритах обнаружены многочисленные органические соединения, в том числе аминокислоты. В метеорите, упавшем в Австралии в 1969 г., выявлено 16 аминокислот, из которых 11 не встречаются в белках земных организмов. В 1996 году появились сообщения, что в метеорите, имеющем, предположительно марсианское происхождение, и упавшем 13 тысяч лет назад в Антарктиде, обнаружены микроскопические образования, внешне сходные с окаменевшими земными бактериями.

Дата добавления: 2014-01-07