Біологічна регуляція геохімічного середовища

Термін «біосфера» для позначення області земної поверхні, охопленої життям, вперше ввів австрійський геолог Е. Зюсс в кінці XIX століття. У цей термін не вкладали чіткого змісту, поняття залишалося розмитим і використовувалося рідко. Справді наукове визначення біосфери дав В. І. Вернадський, який запропонував називати так загальнопланетарну оболонку, населену організмами. Біосфера – сукупність живих організмів на поверхні Землі і комплексів їх умов проживання. Всі організми, коли або населяли нашу планету, В.І.Вернадський назвав живою речовиною. В.І.Вернадський вперше показав, що організми не просто населяють біосферу, але й активно перетворять обличчя планети; життя грає загальнопланетарну геологічну роль. Саме цей висновок укупі з розвиненими В.И.Вернадским уявленнями про біогеохімічних циклах дає підставу вважати його засновником вчення про біосферу.

Процеси життєдіяльності організмів зосереджені в тонкому приповерхневому шарі («плівці життя»). Але вплив живої речовини – сучасного або існуючого раніше – позначається далеко за його межами, в силу чого товщина біосфери налічує десятки кілометрів.

Живим організмом можна назвати відкриту (обмінюються з навколишнім середовищем речовиною та енергією) самовоспроизводящуюся, що розвивається і саморегулюючу систему. У вченні про біосферу дослідження геологічної ролі живих організмів займає центральне місце. Біомаса живуть на Землі організмів (у перерахунку на суху речовину) становить 2.42-1012 т, з них на частку сухопутних організмів припадає 99.9%, а на частку водних -всего 0.1%. Маса рослин становить 2.40-1012 т, маса тварин -2.3-1010 т, загальна маса мікроорганізмів невідома, але вважають, що вона на порядки нижче маси вищих організмів. Щорічна продукція живої речовини оцінюється як приблизно 10% від його маси, тобто 2.4-1011 т і залишається незмінною протягом останнього мільярда років. За цей час сумарна маса синтезованого в біосфері живої речовини складе 2.4-1011 т / годх 109 років = 2.4-10 т. З іншого боку, за сучасними оцінками маса земної кори дорівнює приблизно 2-1019 т, тобто на порядок менше загальної маси існували коли б то не було живих істот. З цих численних оцінок слідують два найважливіших виводу. По-перше, в нинішньому вигляді земна кора сформувалася завдяки діяльності живих організмів. По-друге, речовина, що входило до складу живих організмів, після їх смерті не покидає, в основному, меж біосфери, а після відповідних трансформацій з часом знову потрапляє до складу організмів, тобто в біосфері існує кругообіг речовини. Насправді, звичайно, повний круговорот здійснюють не окремі речовини, а хімічні елементи. Основні елементи, що входять до складу живих організмів, – це кисень, вуглець, водень і азот. Будь-який елемент, який дає розчинні сполуки, здійснює природний циклічний шлях між біосферою і навколишнім середовищем. Швидкості круговоротов різних елементів не однакові. Наприклад, атоми кисню в біосфері потрапляють в живі організми приблизно раз на 300 років, вуглецю – раз на 200 років, а вода морів і океанів здійснює круговорот за 20000 років.

Як розвиток думок В.І.Вернадського про космічної ролі живої речовини можна розглядати сформульовану Дж.Лавлоком і Л.Маргулісом (1973-1979) «гіпотезу Геї». Суть її полягає в тому, що живі організми разом зі своєю фізико-хімічної середовищем проживання утворюють складну систему регуляції, яка створює на Землі саме такі умови, які необхідні для існування життя, причому на рівні вищих організмів.

Проаналізуємо дані про кліматичні умови Землі, Венери і Марса (табл. 2.1).

Вік нашої планети оцінюють у 4.5 млрд. Років. Сліди життя знайдені в гірських породах віку 4 млрд. Років. Цілком резонно припустити що з самого початку історії Землі на ній існувало життя, яка зіграла свою роль у формуванні нинішнього вигляду планети. Приблизно 4.5-4 млрд. Років тому формування атмосфери відбувалося за рахунок парів і газів, що виділялися при охолодженні речовини планети і за рахунок газів, що викидаються вулканами. Первинна атмосфера Землі складалася з водню, метану, оксидів вуглецю, аміаку. Кисню в атмосфері практично не було. Отже, первинна атмосфера мала властивостями відновника. З охолодженням планети близько 4 млрд. Років тому конденсація водяної пари призвела до утворення водної оболонки Землі – гідросфери. Первинна атмосфера легко пропускала ультрафіолетові промені, що, поряд з підвищеною температурою і наявністю води, сприяло протіканню різноманітних хімічних реакцій. Зауважимо, що в відновної атмосфері органічні речовини не піддавалися окисленню, а могли накопичуватися, вступати в нові хімічні перетворення і т.п. У найдавніших живих істот процеси життєдіяльності відбувалися без участі кисню. Джерелом енергії для анаеробних організмів служили не процеси окислення (дихання), а бродіння.

Таким чином, уявлення про те, що спочатку на Землі в результаті випадкового взаємодії фізичних сил виникла середовище, сприятливе для життя, а потім з’явилася і саме життя, помилкова. Саме організми відігравали основну роль у створенні та регуляції геохимической середовища, сприятливого для життя.

В.І.Вернадський зазначав, що «жива речовина є найпотужніша геологічна сила біосфери, зростаюча з ходом часу … На земній поверхні немає хімічної сили більш постійно діючої, а тому і більш могутньою по своїм кінцевим наслідків, ніж живі організми» [ 1]. Все розмаїття цих організмів виступає як єдиний, потужний геохімічний чинник, що забезпечує кілька важливих функцій загальнопланетарного масштабу: концентрування елементів у живих організмах, руйнування гірських порід і розсіювання елементів у земній корі, концентрування елементів органічною речовиною сланців, вугілля, неф-тей. Жива речовина виконує також газову, окислювально-відновну і біохімічну функції.

Концентраційна функція проявляється у здатності живих організмів акумулювати різні хімічні елементи із зовнішнього середовища (атмосфери, води, грунту). Деякі організми накопичують ряд елементів в концентраціях, на порядки перевищують їх вмісту в природному середовищі. Наслідком концентраційної функції живих організмів є геохімічні аномалії, локальні скупчення деяких хімічних елементів.

Газова функція здійснюється рослинами, в процесі фотосинтезу поповнюють атмосферу киснем, і всіма рослинами і тваринами, що виділяють вуглекислий газ в процесі дихання. Відбувається також пов’язаний з життєдіяльністю організмів круговорот азоту.

Окислювально-відновна функція полягає в хімічних перетвореннях речовин з утворенням солей, кислот, (гідр) оксидів та інших класів хімічних сполук в результаті окислювально-відновних процесів. Наслідком якраз таких процесів є формування залізних і марганцевих руд, вапняків і т.п.

Біохімічна функція здійснюється у процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення) і деструкції відмерлих організмів і продуктів їх життєдіяльності. Біохімічна функція – основа круговороту елементів в біосфері.

Ускладнення форм життя на Землі не суперечить законам термодинаміки. Збільшення ентропії при необоротних процесах (а життя – це саме незворотний процес) відбувається тільки в ізольованих системах. Але біосфера ні ізольованою, ні навіть закритою системою не є: хоча велика частина речовини бере участь в кругових процесах, деяка частка його надходить у біосферу із земних надр або з космосу. Більш важливо, однак, що біосфера отримує ззовні енергію. Головне джерело енергії для біосфери -Сонячний радіація. Деяку частку енергії організми отримують за рахунок хімічних реакцій, механічних процесів і т. П. У середньому за рік у вигляді сонячної радіації на Землю надходить 21-1023 кДж енергії. На ділянки земної поверхні, покриті рослинами і водоймами, доводиться ~ 40% цієї енергії, але лише невелика частка її запасається в продуктах фотосинтезу (2.1-1018 кДж) і витрачається в дихальних процесах. Незважаючи на настільки малу частку сонячної енергії, що припадає на біологічне продукування і дихання, саме ця енергія дає поштовх численним складним хімічним реакціям за участю живої речовини. Але рано чи пізно, пройшовши через будь-які перетворення, що прийшла на Землю сонячна енергія розсіюється у світовий простір у вигляді тепла. Життя на Землі без безперервного підведення сонячної енергії неможлива.

Таким чином, стійкість біосфери, її здатність до саморегулювання визначаються

  1. • наявністю в біосфері кругових процесів перенесення речовини;
  2. • наявністю зовнішнього джерела енергії.
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Розповідь про пори року