Биосфера, ее структура и функции

Приспосабливаемость живых организмов удивляет. Так, живые бактерии обнаружены в горячих гейзерных источниках с температурой до 980С, активная и довольно разнообразная жизнь бурлит в трещинах антарктических ледников и на наибольших глубинах Мирового океана, даже в океанических водах пораженных сероводородом, также существуют специфические серные бактерии. Когда американские астронавты доставили на Землю для исследования некоторые детали своей автоматической станции «Сервейер», которая три года находилась на поверхности Луны, то в одной из трубок была найдена живая спора бактерии – она попала туда с Земли во время подготовки к запуску станции и сохранила жизнеспособность, несмотря на трехгодовое пребывание в условиях космического вакуума, резких колебаний температуры и высокого уровня радиации.

Вернадский доказал, что  живые организмы играют очень  важную роль в геологических процессах, которые формируют лицо Земли. Химический состав современных атмосферы и гидросферы обусловленный жизнедеятельностью организмов. Большое значение имеют организмы для формирования литосферы – большинство пород, и не только осадочных, а и таких как граниты, так или иначе связаны своим происхождением с биосферой.

Минеральное инертное вещество перерабатывается жизнью, превращается в новое качество. Живые организмы  не только приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их меняют. Таким образом, живое и  неживое вещество на Земле составляют гармоничное целое, что, собственно, и называется биосферой. Согласно с  образным высказыванием российского  геолога М.Вассоевича, «биосфера – это и жильцы, и дом, и мы в нем».

Сухая масса живого вещества на Земле по сравнению с основными  сферами земли очень мала, однако живое вещество отличается от неживого очень высокой активностью, в  частности, очень быстрым круговоротом веществ. Все живое вещество атмосферы обновляется в среднем за восемь лет. Биомасса мирового океана восстановляется за 33 дня, его фитомасса каждый день, фитомасса суши – приблизительно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Следует учесть, что жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов сопровождается непрерывным обменом веществ между организмами и средой, вследствие чего все химические элементы земной коры, атмосферы и гидросферы многоразово входили в состав тех или иных организмов. Подсчитано, что вся вода планеты проходит цикл расщепления в растительных клетках и восстановления в растительных и животных организмах, то есть обновляется биосферой приблизительно за 2 млн. лет. Образно выражаясь, мы дышим воздухом, которым дышали динозавры, и пьем воду, которая входила в состав тканей юрских папоротников и кембрийских трилобитов.

Живые организмы играют огромную роль в аккумуляции солнечной  энергии. Например, залежи каменного  угля – это не что иное, как  солнечная энергия, накопленная  зелеными растениями минувших геологических  эпох. Так же можно определить и  природу многих минералов, в частности  карбоната кальция, который образует огромные массы известняков и почти на 100% имеет биогенное происхождение. Важную роль живые организмы играют в накоплении многих металлов, таких как железо, медь, марганец. Большое значение для биосферы и хозяйственной деятельности человека имеет круговорот азота, серы, фосфора и других элементов. Установлено что любой растворимый, но не летучий элемент может совершать круговорот только через биосферу. Живые организмы накапливают некоторые элементы в своих тканях, а водные жители, кроме того, увеличивают их содержание и в своей среде жизни, то есть в воде (например, такие элементы, как молибден, кобальт, никель находятся в водной среде в значительно большем количестве нежели на суше).

По оценкам разных источников биосфера возникла 3,5 — 4,5 млрд. лет  назад. Область современного обитания живых организмов охватывает в среднем 12 — 17 км — несколько меньше на суше, больше в океане; сфера случайного попадания организмов и биогенных  элементов колеблется до 40 — 50 км. Считается, что нижняя граница биосферы в  среднем лежит на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна  океана, хотя в буровых скважинах  живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки — до 7 км. В «черных  курильщиках» — выходах термальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм. обнаружены живые организмы при температуре 250 С. Растения поднимаются в горы до высоты ~ 5 км. Дальше царствует вечный холод, но жизнь здесь теплится —  обитают некоторые паукообразные  и микроорганизмы. Верхняя граница  биосферы находится на уровне озонового  слоя, защищающего все живое от жесткого ультрафиолетового излучения. Выше случайно залетают только споры  бактерий и грибов. Масса биосферы составляет ~0,05 % массы Земли, объем  — 0,4 %. Но именно эта незначительная по размерам оболочка планеты есть область зарождения, развития и сохранения на протяжении миллиардов лет жизни  в одной из точек Вселенной  — Земле. 

Эволюция биосферы Земли  

Большинство утверждений  и заключений, касающихся возникновения  биосферы, носит гипотетический характер. Это предположительные суждения о различных стадиях процесса эволюции, которые не противоречат современным физическим, химическим, биохимическим и другим законам, но которые невозможно полностью, а  иногда и частично подтвердить экспериментально. Такие гипотезы касаются следующих  ключевых моментов эволюции биосферы.  

 Теория  Большого взрыва как гипотеза зарождения Вселенной 

В 1922 г. советский математик  и геофизик Александр Александрович  Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря существовать. Ученые смогли восстановить картину развития Вселенной с малых долей первой секунды после Большого взрыва, но никто не знает ни причин, вызвавших взрыв, ни то, что было до него. Спустя 15 млрд лет после Большого взрыва, то есть примерно 5 млрд лет назад, сформировалась планета Земля как космическое тело. 

Теория А.И.Опарина как  гипотеза возникновения жизни (органических веществ, предбиологических структур) на планете Земля 

Теория возникновения  жизни (а точнее предбиологических структур) на Земле принадлежит советскому биохимику академику Александру Ивановичу Опарину, который сформулировал ее в 1922 году. Он предположил, что из молекул водяных паров, метана, аммиака и углекислого газа, составлявших атмосферу планеты на этапе ее формирования как космического тела, в результате случайных комбинаций под действием высоких температур от искровых разрядов, пронизывающих тогда еще бурлящую и клокочущую планету, стало возможным образование более сложных соединений. С точки зрения зарождения будущей жизни особенно важным было образование аминокислот — тех кирпичиков, из которых строится основа жизни — белок. Их накопление в течение многих миллионов лет привело к образованию «питательного бульона жизни» — раствора молекул различных аминокислот. Дальнейшая судьба «бульона» складывалась уже под воздействием второго начала термодинамики. В соответствии с этим законом большие молекулы не могут быть равномерно распределены в растворе. Под действием электростатических сил они начинают объединяться в отдельные образования типа комочков геля, обрастая все новыми и новыми молекулами и образуя нечто, подобное капле. Каждая сформировавшаяся таким образом капля имеет сугубо индивидуальную структуру, состав которой случаен. Далее начинает работать своеобразный отбор: устойчивые комбинации молекул сохраняются, неустойчивые — распадаются, а из их осколков образуются другие варианты случайных конструкций. Достигнув определенных размеров, капля, не будучи прочной, рассыпалась на две-три части под действием внешних механических сил. Образовавшиеся вновь капли по структуре совпадали с первоначальной. Они как бы унаследовали от исходной капли ее индивидуальные особенности. Они вновь начинали «расти», дробились и т.д. Однако это еще не было живым веществом, это была так называемая предбиологическая структура. Прошло еще много миллионов лет, прежде чем эти капли превратились в живые клетки. По мнению ученых, уже через каких-нибудь 1,0 — 1,5 млрд лет появились многоклеточные организмы. Жизнь из плесневой и слизистой формы стала активной жизнью привычных нам существ. 

2.3 Большой биологический  взрыв как гипотеза перехода  от неживой к живой форме  организации материи 

Еще Луи Пастер в XIX в. первым обратил внимание на то, что в неживой природе молекулы либо зеркально симметричны (H2O, CO2), либо одинаково часто встречаются их правые и левые стереоизомеры. Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть киральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК). Но самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте — либо только левом, либо только правом: это так называемые кирально чистые молекулы (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая). Именно с вопросами зеркальной симметрии-асимметрии на молекулярном уровне тесно связана проблема возникновения жизни на Земле — ведь живая материя возникла в свое время из неживой! Это возникновение обусловлено нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием кирально чистых молекул. Современная наука пришла к выводу, что переход от мира зеркально симметричных соединений к кирально чистому состоянию живого вещества биосферы произошел не в процессе длительной эволюции, а скачком — в виде своеобразного Большого биологического взрыва. Происхождение этого состояния связано с катастрофой, то есть с достижением развивающейся средой критической точки (точки бифуркации), за которой теряется устойчивость прежнего симметричного состояния. Это акт самоорганизации материи. По некоторым оценкам процесс глобального перехода к киральной чистоте значительной части молекул мог произойти всего за 1 — 10 млн лет. Появление живого вещества ознаменовало собой переход от геохимической эволюции к биогеохимической. Для возникновения этой разницы были необходимы уникальные и неповторимые условия ранней эволюции Земли как планеты. Но как только появились первые предбиологические формы и праорганизмы, начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница. 

2.4 Учение о биосфере 

Следующий этап развития биосферы Земли связан с эволюцией живого вещества и вызванного этим изменением физико-химического состава планеты. Этот процесс подробно описан В.И.Вернадским и составляет суть его концепции  о биосфере. Он обосновал, что возникновение  биосферы на Земле — это объективный  результат развития общего космического процесса. При этом биосферу нужно  рассматривать как целостную  геологическую оболочку Земли, состоящую  из живого и неживого. Вернадский подчеркивал, что для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая разнородности. Разнородность строения является господствующим фактором, резко  отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара. Живое вещество охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет. Живое вещество едва ли составляет одну — две сотых процента по весу, но геологически оно является самой большой силой в биосфере, определяет все идущие в ней процессы. В.И.Вернадский показал, что тонкая оболочка Земли — биосфера, состоящая из разнородных структур — живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному перетоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу. Он раскрыл геологическую роль живых организмов в создании современного газового состава атмосферы, в формировании горных пород, вод мирового океана.

Эволюция Земли делится  на раннюю историю и геологическую  историю. Под ранней историей подразумевается  катархей. Под геологической же историей понимается все остальное время, от архея до современной эпохи. Временная граница между двумя главными интервалами в истории Земли точно не установлена. Но предположительно она намечается на рубеже от 3,5 до 3,8-3,9 млрд. лет назад. Ранняя история и геологическая история — существенно различные этапы жизни нашей планеты. Если в раннюю историю Земля развивалась так же, как и остальные планеты — Луна, Меркурий, Марс и Венера, — т.е. в очень медленном темпе, то путь развития Земли в геологическое время характеризуется необыкновенно быстрой эволюцией ее внешней области и земной коры. Все же другие планеты продолжают пребывать и в настоящую эпоху как бы в догеологическом прошлом.

От всех других планет внутренней группы Земля отличается наиболее активным протеканием процессов как в недрах, так и во внешней области. Возникшая на планете природная среда качественно эволюционировала, создались благоприятные условия для зарождения жизни, ее пышного развития и, наконец, для появления человека. Жизнь стала наиболее характерной особенностью природной среды на Земле. Причин такой феноменальности Земли много, важно и их определенное сочетание, но главное — это сильная обводненность внешней сферы нашей планеты.

Почти в течение 4 млрд. лет  массы дождевой и талой воды омывали  земную поверхность, создавая ее древовидную расчлененность и образуя во впадинах и понижениях малые и большие бассейны, в том числе и океаны. И суть не только в сильной обводненности земной поверхности, но, что более важно, водные массы участвовали и продолжают участвовать в мощном глобальном климатическом круговороте вещества и энергии, выполняя в нем ведущую роль.

Существование океанов в  течение всей геологической истории, в том числе и ранней, способствовало сохранению в водной среде стабильных температурных, химических и иных условий, необходимых для построения вначале  органических добиогенных химических соединений, а затем и самих организмов.

Для жизни и дальнейшего  прогрессивного развития организмов наряду с водой имела значение и атмосфера. Воздушная оболочка Земли сильно отличается от атмосфер других планет, прежде всего, своим составом. Если атмосферы Марса и Венеры соответственно на 95 и 97% состоят из углекислого  газа, т.е. очень похожи на первичную  атмосферу Земли, то современная  воздушная оболочка нашей планеты  — результат глубокого преобразования ее и абиотическими процессами (поглощением  углекислого газа водами океана) и  биотическими. Можно сказать, что  живые организмы приспособили к  себе состав атмосферного воздуха, изменив  его до оптимального для них сочетания  и соотношения газовых компонентов.