Процессы в биосфере

Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов.

Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции:

• • газовая (поглощает и выделяет газы);
• • окислительно-восстановительная (окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов);
• • концентрационная (организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний и другие элементы).

В более развернутом плане функции живого вещества представлены в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Основные функции живого вещества в биосфере (по Е. И. Шиловой, Т. А. Банкиной, 1994).

В результате выполнения этих функций живое вещество биосферы из минеральной основы создает, в частности, природные почвы и воды.

При участии биоты происходит процесс выветривания, в результате которого горные породы включаются в геохимические процессы. Газовая и окислительно-восстановительная функции вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. Живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты в результате процессов жизнедеятельности автотрофных фотосинтезирующих организмов. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлияло, в частности, на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере. Например, многие микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа и образовании железных руд или восстанавливают сульфаты, формируя биогенные местонахождения серы.

Это интересно

Неблагоприятные процессы биота может компенсировать путем направленного изменения концентраций биогенов в окружающей среде.

Конечно, биота не может влиять на такие природные процессы, как поток солнечного излучения, приливы и отливы, вулканическую деятельность.

Концентрации вещества, которые используются для жизнедеятельности живых организмов, регулируются биохимическими процессами. Например, атмосферная концентрация С0₂ регулируется биотой океана. Анализ пузырьков воздуха в ископаемых льдах Гренландии и Антарктиды показал, что концентрация углекислого газа в атмосфере оставалась постоянной на протяжении сотен тысяч лет.

Основным процессом, происходящим в биосфере, является процесс фотосинтеза. Солнечная энергия, поступающая на Землю, расходуется биосферой на развитие жизни.

Типичным примером фотосинтеза может служить реакция образования глюкозы из Н₂0 и С0₂, протекающая при участии хлорофилла зеленых растений за счет энергии солнечного излучения. Обратный процесс, при котором вновь образуются диоксид углерода и вода, называется дыханием:

В общем виде этот процесс можно записать в виде реакции.

где X — О, S (для анаэробных организмов).

Природный процесс фотосинтеза есть не что иное, как окислительно-восстановительна я реакция, протекающая в два этапа: первый — образование 0₂ при поглощении нескольких квантов света (окисление), второй — темновая реакция синтеза органического вещества. Методом «меченых» атомов экспериментально установлено, что кислород образуется из молекул Н₂0, а не С0₂.

Давайте посчитаем, сколько квантов света необходимо для получения одной молекулы кислорода. Известно, что для фотосинтеза глюкозы необходимо затратить 708 ккал (на шесть молей воды). На две молекулы Н₂() 708.

приходится _ «= 39,15 • 10~²³ ккал. Квант света при длине волны,.

3−6,02 *10″ .

например, X = 0,65 мкм, обладает энергией.

Таким образом, для получения одной молекулы кислорода необходимо для данной длины волны самое меньшее пять квантов (39,15: 7,2 = 5,4). Для более коротковолновой области спектра количество квантов для получения одной молекулы ()₂ будет меньше, для ИК-области — больше. Например, для X = 6,5 мкм hv = 7,2 • 10^-24 ккал, т. е. один квант в видимой области при X = 0,65 мкм эквивалентен 10 квантам при X = 6,5 мкм.

Каждый год фотосинтезирующими организмами (главным образом зелеными растениями) на Земле создается около 100 млрд т органического вещества. Такое же количество за этот промежуток времени окисляется, превращаясь в С0₂ и Н₂0 в результате дыхания всех живых организмов планеты.

Зеленые растения — основные поставщики атмосферного кислорода.

Ежегодно всей растительностью планеты воспроизводится около 2,5 • 10¹¹ т кислорода. А среди 3 млн видов живых организмов растений, как указывалось ранее, не так уж и много — всего 300 тыс. видов. Вот почему и с этой точки зрения так важно оберегать и сохранять зеленый покров нашей планеты, постоянно восстанавливая посадки лесов после их вырубки.

Биомасса растений использует для фотосинтеза лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на Землю, — всего 0,03%. За счет этой энергии ежегодно воспроизводится (1,5 ^ 5,5) • 10⁹ т растительной биомассы на суше, а в морях — в пять-шесть раз больше.

Это интересно

Коэффициент полезного действия (КПД) фотосинтеза в среднем составляет 0,4—1%.

Для сравнения: КПД парового двигателя — 8%; КПД двигателя внутреннего сгорания — 36%; КПД экономичной тепловой электростанции — до 56%.^[1]

Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:

• • участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;
• • протекание химических реакций смешанного типа, часто без непосредственного контакта взаимодействующих веществ (например, окислитель и восстановитель в живых организмах в большинстве случаев находятся в разных частях тела);
• • неравновесность процессов;
• • участие в химических реакциях живых организмов;
• • участие в химических и биологических процессах различного рода загрязнителей.

Рис. 9.4. Отражение, пропускание и поглощение солнечной радиации с разной длиной волны листом Populus deltoides:

зеленая часть видимого спектра выделена пунктиром; здесь ФАР — фотосинтетическая активная реакция (Лахер, 1978).

Записать химические реакции, протекающие в биосфере, в виде уравнений в большинстве случаев сложно или даже невозможно. Обычно рассматривают лишь общую схему процесса. Например, для анализа взаимодействия планктона с кислородом первый условно представляют в виде (С112О)₁0б (М11з)₁₆11зРО₁. Тогда процесс окисления планктона можно записать в виде.

В основе учения о биосфере лежит понимание диалектического единства, взаимосвязи и взаимообусловленности процессов, происходящих между минеральной, водной и газовой оболочками Земли (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Упрощенная функциональная схема обменных взаимодействий в оболочках планеты на примере атмосферы¹:

показана всеобщность и разнообразие взаимодействий между атмосферой (А), гидросферой (Г), литосферой (Л) и биосферой (Б), которая объединяет все оболочки; стрелками указаны возможные взаимодействия и обмены веществом и энергией между оболочками планеты с учетом их постоянного (ноет.) и переменного (нерем.) состава, обусловленного в том числе антропогенными загрязнителями.

1. Взаимодействие между постоянным составом атмосферы:

2. Взаимодействие между переменным составом атмосферы:

• 3. Взаимодействие между постоянным и переменным составом атмосферы:^[2]
• 4. Взаимодействие между переменным составом атмосферы и постоянным составом гидросферы:

5. Взаимодействие между постоянным составом атмосферы и переменным составом гидросферы:

6. Взаимодействие между постоянным составом гидросферы и постоянным составом атмосферы:

7. Взаимодействие между переменным составом гидросферы и переменным составом атмосферы:

8. Взаимодействие между постоянным составом атмосферы и постоянным составом литосферы:

9. Взаимодействие между постоянным составом биосферы и постоянным составом атмосферы:

10. Взаимодействие между переменным составом литосферы и переменным составом атмосферы:

11. Влияние внешнего (входного) сигнала на процесс с основным составом атмосферы:

12. Влияние внешнего сигнала на процесс с переменным составом атмосферы:

За миллиарды лет своего существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. В течение большой части геологического периода Земли заметная часть органического вещества не расходовалась и не разлагалась. Избыток органического вещества привел к образованию горючих ископаемых, за счет которых человек и совершил промышленную революцию. Преобладание фотосинтеза над дыханием явилось также причиной уменьшения С0₂ в атмосфере и накопления кислорода, что сделало возможным эволюцию и развитие высших форм жизни на планете.

В настоящее время в отличие от первичной биосферы выделяется некоторое новое состояние природы — биотехносфера.

Человек в будущем должен проектировать и формировать новую природно-техническую среду, способствующую устойчивому и гармоничному развитию глобальной системы «Природа — Человек — Общество — Техника». Последняя не должна представлять собой нечто чуждое биосфере, а должна быть качественно новой. Образно можно сказать, что техника, механизмы и технологии XX в. будут губительны для XXI в. Но главное: новым должно стать мировоззрение людей планеты. До сих пор система преподавания естественно-научных дисциплин, давая знания, ориентировалась в основном на разум человека. В эпоху научно-технической революции эго приносило (и приносит) ощутимые и убедительные плоды. Но в эпоху глобальных и местных экологических проблем необходимо достучаться и до души человека. Только в случае, когда будет достигнута «критическая масса» таких людей, особенно среди специалистов, создателей техносферы, можно рассчитывать па реальные положительные результаты. Сейчас даже само техническое знание должно носить гуманитарный характер.

Возникает вопрос: каким путем пойдет развитие человека в биосфере, как избежать необратимых последствий и предотвратить распад биосферы, если невозможно остановить социальный и научно-технический прогресс человеческого общества?

Очевидно, следует так управлять процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они были взаимовыгодны и не привели бы к деградации биосферы.

С экологических позиций можно говорить о сбалансированности процессов: положительной и отрицательной обратной связи между обществом и средой.

Важная информация

Данный этап эволюции жизни рассматривается как этап развития коллективного разума, т. е. ноогенез. Только тогда будет происходить постепенное превращение биосферы в ноосферу, ибо последняя — высшая ступень развития биосферы, сфера разума.

Основателем учения о ноосфере в ее современном понимании был В. И. Вернадский. Он показал, что ноосфера находится не над биосферой, не вне ее, а является закономерным и неизбежным этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. В настоящее время к этому должно стремиться все человечество во имя сохранения жизни на планете Земля. На это должно быть ориентировано и экологическое (ноосферное) образование, а также образование для устойчивого развития системы «Природа — Человек — Общество — Техника».

По мнению академика М. П. Фёдорова, «только на основе современного образования, интегрирующего обучения, воспитания и развития, включающего в себя как важнейшую составную часть образования для устойчивого развития и экологического образования, возможно, не только готовить кадры для решения экологических проблем, но и вырастить поколение землян, обладающих новым мировоззрением, способных решать социальные, экономические и экологические проблемы в их глубокой взаимосвязи, в локальных и глобальных проявлениях».

В свою очередь, А. М. Буровский считает, что основной парадигмой ноосферного образования «становится идея глобальной эволюции, элементом и вариатором которой является и сам человек. Если в предельно тезисной форме выразить основания ноосферного образования, то они выглядят так:

• 1. Мир принципиально един.
• 2. Человек составляет часть мира.
• 3. Человек как самая сложная часть мироздания определяет состояние всего материального мира в целом".

Очень хорошо по данному вопросу сказал известный французский ученый Рене Дюбо: «Человек не находится на пути к вымиранию, он может приспособиться к условиям среды, однако это приспособление станет началом настоящей трагедии. В процессе адаптации мы будем приспосабливаться к ухудшающимся условиям, не отдавая себе отчет в том, что ребенок, родившийся в подобных условиях, не имеет возможности полностью развить свои физические и умственные способности. Необходимо заниматься этой проблемой нс только потому, что нам угрожает вымирание, а потому, что если мы не осознаем воздействия, оказываемого на наш организм окружающей средой, то может произойти что-то похуже, чем вымирание рода человеческого — прогрессивная деградация самой сути жизни» (выделено нами. — Авт.).

• [1] И наконец, давайте ответим на вопрос, почему растения зеленые? Это наглядно показано на рис. 9.4. Видно, что из всей солнечной радиации, падающей на лист растения, на зеленую частьспектра приходится минимум в поглощении и максимум в пропускании и отражении. Именно поэтому большинство растенийимеют зеленый цвет. Кроме хлорофилла, в растениях имеютсяи другие ферменты, например каротиноиды. Отсутствие поглощения каротиноидов в желтой и красной частях видимого спектраопределяет осеннюю окраску растений.
• [2] На схеме не указаны следующие взаимодействия: постоянного составаатмосферы с переменным составом литосферы; переменного состава атмосферыс постоянным составом литосферы; действие внешнего сигнала па постоянныйсостав биосферы; действие внешнего сигнала на переменный состав биосферы.