Биологические концепции включают широкий спектр проблем, связанных с происхождением, функционированием и сохранением жизни на Земле.

Биосфера – это уникальная по своему происхождению, единственная в обозримом космическом пространстве своеобразная оболочка Земли (сфера жизни) со всей совокупностью живых организмов, содержащая ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с живым веществом.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (ниже озонового экрана), гидросферу и верхние горизонты литосферы (каменной оболочки Земли, называемой земной корой), где когда-то существовала жизнь, где возможно ее существование до глубин, на которые может проникать вода в температурном диапазоне, ограничивающем существование живых организмов.

Некоторые аксиомы биосферы:

1. Живое только от живого (принцип Пастера – Редди).

2. Любые рассматриваемые и создаваемые возможные модели биосферы должны в качестве результата отвечать современному состоянию биосферы.

3. Современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

4. Средний химический состав живого вещества, земной коры, гидросферы и атмосферы постоянен во времени.

5. В среднем количество живого вещества в биосфере постоянно во времени.

6. Источником жизнедеятельности организмов является энергия Солнца, гидротермальные источники, вулканическое и радиоактивное тепло, гравитация, включая гравитационное влияние естественного спутника Земли – Луны, перемещение блоков земной коры, различные фазовые превращения и др.

7. Основную роль в усвоении и перераспределении энергии играют растения посредством: фотосинтеза; дыхания; отмирания.

8. Жизнь на Земле – геологический фактор и фактор самоорганизации биосферы, ее сбалансированности обменными процессами во времени.

9. Живое вещество биосферы и косное вещество окружающей среды связаны биохимической энергией и непрерывным обменом.

10. Обменные процессы в биосфере сбалансированы вещественно и энергетически.

11. Хозяйственная деятельность человека является естественным процессом усложнения обменных явлений в биосфере в ходе эволюции человека. Однако она не способна изменить сущность биоэнергетического баланса в биосфере, а только способна влиять на скорость протекающих обменных процессов.

Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы от границы озонового слоя, всю гидросферу и литосферу – каменную оболочку Земли, которая участвовала (и участвует сегодня) в обмене веществом при функционировании жизни в минувшие геологические эпохи.

Атмосфера. Наиболее легкая газовая оболочка биосферы, граничащая с космическим пространством. Атмосфера пронизывается насквозь излучением Солнца (кроме жесткого γ - излучения, задерживаемого озоновым слоем и, таким образом, обеспечивающим существование и развитие живых организмов). Именно Солнце определяет сбалансированный энергетический режим поверхности планеты и живого вещества в биосфере.

Атмосфера сбалансирована во времени газовым составом. Большая часть её массы состоит из азота (78,08%), кислорода (20,95%) и инертного газа аргона (0,93%). На долю углекислого газа приходится всего 0,034%. Следовательно, в целом атмосфера Земли является углекислотно-аргоново-кислородно-азотной. На долю остальных газов приходится менее 0,01% объема. Это инертные газы, метан, диоксид азота, пары воды, водород, гелий, озон.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является кислород и его аллотропная модификация озон – О₃.

Образование и разложение озона связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. В этой связи на ранних этапах геологической истории жизнь на Земле развивалась в толще воды, защищенная от неблагоприятного воздействия солнечной радиации. И только после (на рубеже ордовика и силура – около 400 млн. лет назад), когда парциальное давление кислорода в атмосфере достигло величины, при которой стало возможно образование озона, жизнь вышла на сушу.

Основная масса озона располагается на высотах 10 – 50 км с максимальной его концентрацией на высоте 20 – 25 км при толщине слоя всего около 500 м.

Озон является сильным окислителем. Взрывоопасный газ с характерным запахом. Содержание озона 1 мг/м3 воздуха представляет собой смесь, способную убивать живые организмы. Поэтому в медицине используется метод озонирования для дезинфекции помещений, как и для озонирования воды.

Механизм образования, а также расходования озона был предложен С. Чэпманом в 1930 г. Схема реакции образования озона выглядит следующим образом: О₂ + hν → 2О, О₂ + O → О₃.

Считается, что вмешательство человека увеличивает вклад хлорного цикла в разрушение озона (хлор окисляет озон) в атмосфере Земли и приводит к появлению так называемых «озоновых дыр». И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов (до вступления в действие Монреальского протокола) могло привести к уменьшению толщины озонового слоя и тем самым поставило бы под угрозу существования жизни на Земле. Поскольку считается, что до антропогенной добавки процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии.

На самом деле сегодня оспаривается превалирующая роль антропогенного фактора в изменении толщины озонового слоя¹ над естественными факторами (водородным «дыханием» Земли, вулканизмом и др.).

Газовая оболочка Земли во времени сбалансирована круговоротом энергии и вещества с гидросферой и литосферой. Сущность этого баланса заключается в том, что составляющие её газы могут быть изъяты или продуцированы из атмосферы в гидросферу и литосферу с участием обменных процессов, живого вещества и хозяйственной деятельности человека.

Атмосфера обеспечивает круговорот воды в рамках гидросферы. Литосфера поставляет не только СО, СО₂ , SО₂ , СН₄ , NH₃ , Н₂ но и инертные газы, включая наиболее распространенный из них в атмосфере Земли – аргон. Лёгкий гелий и водород не задерживаются в атмосфере и диссипируют в космическое пространство. Источником аргона является непрерывный процесс превращения изотопа ⁴⁰К, широко распространенного в калийсодержащих минералах, в ⁴⁰Аr.

Температура нижней части атмосферы изменяется быстро с высотой, от среднего значения температуры + 14,6 °С у поверхности океана до среднего значения – 50 °С на высоте 10 км от поверхности Земли. Это определяет динамику вертикальных атмосферных тепловых потоков атмосферы.

Гидросфера. Водная оболочка биосферы. Она определяет влажность атмосферы. Вода в силу своей высокой подвижности, способности универсального растворителя, проникает в различные природные образования, является основой существования жизни на Земле. Она находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны, моря, реки, озера, существует в недрах Земли, а также в замороженном состоянии в высокоширотных и высокогорных ледниках, включая многолетнюю мерзлоту, проникающую в глубь земли на сотни метров, а в Антарктиде значительно глубже – на первые километры. Под ледяным панцирем в Антарктиде обнаружены озера с водой, в которой могут существовать реликтовые формы жизни, существовавшие десятки тысяч лет назад. В настоящее время в воде, погребённых под ледниками озёр, установлено наличие археобактерий, способных существовать в подобных экстремальных условиях без доступа света. Поэтому они получили ещё название экстремофилы.

Вода входит в структуру многих минеральных видов и в этом смысле может существовать в связанном состоянии на достаточно больших глубинах в земной коре. Предельная глубина существования воды в свободном состоянии определяется критической температурой 374°С и давлением 220 атмосфер. Под материками в связанном состоянии она может быть обнаружена на глубинах около 12 – 15 км.

Вода существует в форме почвенной влаги, подземных и ювенильных вод, гидратированных минералов. Она способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 – 50 мг/л растворенных веществ. Отсюда ясно, что если атмосфера загрязнена, то концентрация веществ в атмосферных осадках за счет реакций газов и паров воды будет возрастать и непременно повышать кислотность воды, которая в форме кислотных дождей будет попадать не только в водоемы, но и почву, подкисляя последнюю. Подкисленные воды являются причиной изменения биоценозов в биотопах.

Существует баланс между атмосферными, поверхностными и подземными водами, который регулируется естественными процессами круговорота воды (испарение, конденсация, сток) и вещества на Земле. Локальное нарушение этого круговорота чревато для экосистем глубокими потрясениями, связанными с обезвоживанием отдельных регионов и, напротив, обводнением, подтоплением, заболачиванием других, а также засолением почв в результате, например, несбалансированного поливного земледелия. Однако глобальный баланс в биосфере между атмосферными, поверхностными и подземными водами во времени в среднем сохраняется. Современная дегазация недр способствует незначительному увеличению количества воды в биосфере, но за счёт расширения Земли во времени объем гидросферы также остаётся постоянным.

Подавляющая часть массы гидросферы сосредоточена, в Мировом Океане, который представляет собой уникальную природную и энергетическую систему. Здесь происходит грандиозный обмен и трансформация тепловой энергии и вещества нашей планеты с древнейших времен. Количественное соотношение пресных водных масс в гидросфере Земли показано в таблице 2.3.2-1.

Распределение пресных водных масс в гидросфере Земли

Форма нахождения	Объем воды, тыс. куб. м	% от общего объема
Подземные воды	60000	4,0
Подземные воды активного обмена	4000	0,3
Ледники	24000	1,7
Озера	280	0,02
Почвенная влага	85	0,01
Пары атмосферы	14	0,001
Речные воды	1,2	0,0001
ВСЕГО	1458000	100
Доля пресной воды в объеме мирового океана		0,03

Таблица 2.3.2-1

Морская (океаническая) вода представляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 кг 35 г вещества, что соответствует концентрации солей в морской воде в количестве 35 промилле.

В морской воде находятся практически все элементы таблицы Д.И. Менделеева. Но самыми распространенными элементами морской воды являются: кислород (85,7%), водород (10,8%), хлор (1,9%), натрий (1,05%), магний (0,13%), сера (0,088), кальций (0,04%), калий (0,0038%), бром (0,0065%). В сумме они составляют 99,7183%. В процессе волнения мирового океана значительная часть хлора может поступать в атмосферу и нарушать естественный баланс озона в ней. Поскольку хлор окисляет озон.

Растворенные элементы в воде находятся, преимущественно, в форме катионов натрия, магния, кальция и анионов хлора, сульфатов, гидрокарбонатов, карбонатов.

Следует особо подчеркнуть одну удивительную особенность океанической воды – главные ионы в ней характеризуются постоянным соотношением во всем объеме Мирового океана. +Это указывает на устойчивость динамического равновесия между количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности континентов в океан и их осаждением+.

Вода – главный компонент живого вещества и оттого, что и в каких количествах она содержит в своем составе – зависит способность к развитию и выживанию различных видов живых организмов.

Наконец, жизнь возможна только в условиях существования воды в жидком состоянии, способной осуществлять ионообменные реакции в живых организмах. В планетарных системах, в которых вода существует только в твердом состоянии, жизнь невозможна. Например, под поверхностью Марса возможно наличие твердой фазы воды (льда). В жидком состоянии она там длительное время находиться не может, поэтому ожидать высокоорганизованных форм на поверхности Марса в прошлом и настоящем не приходится. Хотя некоторые ученые полагают, что в прошлом простейшие жизненные формы там могли существовать. Но неизменность первичного состава атмосферы Марса с момента образования планеты не даёт никаких шансов на обнаружение на его поверхности жизненных форм даже в прошлом.

Литосфера (земна кора) – наиболее неоднородная часть биосферы, сложенная различными минеральными видами, входящими в состав осадочных, изверженных и метаморфических пород, прошедших через цикл участия в их эволюции живого вещества планеты. Литосфера является источником элементов в гидросфере, атмосфере и почве. Возраст наиболее древнейших осадочных образований, в которых зафиксированы органические остатки, достигает 3,1 – 4,0 миллиарда лет. Граница жизни в литосфере, таким образом, зафиксирована на рубеже 4,0 миллиарда лет. Другими словами, жизнь на нашей планете весьма древнее образование, как и сама земная кора. Уникальность же нашей планеты заключается в том, что это единственное образование в Солнечной системе, где есть жизнь. Вероятность существования форм жизни в обозримой части вселенной весьма мала. И это самый веский аргумент в пользу того, чтобы нам бережно относиться к колыбели жизни, возможно, даже единственного в такой форме биологического образования во вселенной.

Наиболее распространенными элементами в составе земной коры являются: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий, углерод, сера. На долю этих элементов приходится более 99% вещества. Кислород составляет около 47,3% общей массы земной коры или 92% ее объема. Количество кремния в земной коре содержится около 27%. Таким образом, земная кора на 74-75% состоит из кремнезема (SiO₂).

Континентальная кора первоначально была выплавлена из базитов верхней мантии на рубеже 4,1 – 4,3 миллиардов лет назад. Затем ее вещество изменялось под влиянием ударного метаморфизма при бомбардировки метеоритами, которая в основном завершилась 3,5 млрд. лет назад. После вещество земной коры было несколько раз переработано под влиянием атмосферы, солнечного излучения, воды, ветра, вулканизма, метаморфизма и живого вещества. С учётом того, что жизнь на Земле зародилась около 4 млрд.лет назад, большая часть земной коры представляет собой переработанное вещество былых биосфер, о которых мы пока имеем смутное представление. Ибо в каменной летописи, по мнению выдающегося палеонтолога России Б.Соколова, может сохраниться всего не более 0,1% существовавших когда-то видов живых организмов. Проблемой изучения жизни прошлых геологических эпох занимаются науки о Земле: геология, палеонтология, геохимия и другие отрасли геологии.

В сбалансированный процесс круговорота вещества атмосферы, гидросферы и литосферы включается биота – совокупность видов растений, микроорганизмов и животных, объединенных не только общностью сосуществования, но и обменом вещества между составляющими элементами биосферы. Биота несет в себе все признаки изменяющегося состава биосферы. Выполняет функцию рассеяния и концентрации минерального вещества. Именно благодаря жизни на Земле мы имеем дело с высокодифференцированным веществом её коры. Подобных признаков дифференциации вещества по составу от ультраосновного ряда до ультракислого нет ни на одной другой планете, лишенной жизни.

Хозяйственная деятельность человека вносит дисбаланс за всю геологическую историю (за счёт преимущественно топливно-энергетического комплекса), способствует возврату атмосферы к условиям преджизненного её состояния, когда в ней доминировал углекислый, сернистый газ, оксиды азота, метан, аммиак, водород, а также выбросу других газов, способствующих усилению парникового эффекта. Однако этот дисбаланс оказывается лишь временным, поскольку естественные обменные процессы в биосфере, вовлекающие в круговорот огромные массы вещества, достаточно быстро нивелируют эти изменения.

Сущность становления сбалансированного состояния составных частей биосферы с земной корой заключается в непрерывном обмене (круговороте) ее вещества. Деградация почв за счет опустынивания и нерационального их использования, истощение природных ресурсов (топливно-энергетических, черных, цветных металлов, агрохимического сырья и т.д.), ведет к региональному нарушению естественного круговорота вещества. В результате окружающая природная среда становится менее благоприятной для естественного функционирования живого. В этом смысле человек вынужден тратить из потребления значительные средства для поддержания комфортного состояния окружающей среды, естественной скорости обменных процессов в биосфере.

Живое вещество биосферы. Занимает ничтожную часть объема земного шара, хотя его история образования охватывает громадный интервал времени.

Биомасса Земли составляет около 2,4·10¹⁵ кг (около 0,01 % массы всей биосферы). Из этого количества 97 % приходится на долю растений, 3 % – животных. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов и до сих пор открываются новые виды.

Термин «живое вещество» и само его понятие связано с именем В.И. Вернадского, П. Шардена. Они показали, что все количество живых организмов образует живое вещество нашей планеты, формируя особую часть Земли – биосферу – часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активными химическими проявлениями. И хотя живое вещество по своей массе составляет ничтожную долю по сравнению с любой из оболочек Земли (таблица 2.3.2-2), оно проникает почти во всю толщу нижней атмосферы, в гидросферу, твердую оболочку Земли до нескольких тысяч метров. С учетом того, что все породы земной коры когда-то прошли циклы своего преобразования с участием живого вещества, можно утверждать, что оно проникает во всю толщу земной коры.

Таблица 2.3.2-2

Количественные соотношения живого вещества с другими оболочками Земли (по А.П.Виноградову,1962; Ронову, Ярошевскому, 1965)

Объекты	Масса в тоннах	Сравнительные величины, относительн. един.
Живое вещество	2,4·1012	1
Атмосфера	5,15·1015	2146
Гидросфера	1,5·1018	602500
Земная кора	2,8·1019	1670000

Оценку среднего химического состава живого вещества дал А.П.Виноградов в 1962 г. Наиболее распространенными элементами живого вещества являются: кислород (70%), углерод (18%), водород (10,5%), кальций (0,5%), калий и натрий по (0,3%), кремний (0,1%), которые в сумме составляют 99,8%. Остальные элементы образуют ничтожную часть живого вещества. То есть в составе живого вещества содержатся те же элементы, которые широко распространены в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе, хотя и в разных количественных соотношениях. Здесь в полной мере проявлен принцип унаследованности элементного состава геохимических систем живым веществом планеты². Однако живое вещество избегает накопления тяжелых элементов (металлов) и старается выводить их из клетки. В случае избыточного накопления тяжелых металлов или их дефицита в организме развиваются различные патологии³. То есть живые организмы и живое вещество являются химически сбалансированным системами с окружающей их средой.

В организмах содержатся все известные химические элементы, в том числе тяжёлые и радиоактивные, но их концентрации в живом веществе незначительны. Живое вещество избегает накопления тяжёлых металлов и в реакциях обмена вещества предпочтение отдаётся легким элементам и изотопам.

Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов.

Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом возрастает.

Таким образом, необходимо отметить главное: ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное или количественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой. Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом направленности в развитии всего органического и неорганического мира. Временный дисбаланс в этот процесс вносят естественные стихии природной среды, хозяйственная деятельность человека, которая может медленные обменные процессы в биосфере переводить в быстропротекающие⁴.

Ссылки