Nivelul biosferic al organizării vieții. Fundamentele învățăturilor lui V.I.Vernadsky despre biosferă. Organizarea biosferei Biosfera este o parte naturală a organizării cosmice
Biosfera este un complex termodinamic sistem deschis pe suprafața Pământului, acționând datorită energiei Soarelui și activității vitale a organismelor vii, acumulând și redistribuind fluxuri uriașe de materie și energie. Acest proces este posibil numai datorită proprietăților chimice ale elementelor ciclice sau organogenice, numite astfel de V. I. Vernadsky în clasificarea sa geochimică a elementelor pentru capacitatea lor de a produce numeroase substanțe chimice. procese reversibile, iar istoria tuturor acestor elemente poate fi exprimată în cicluri.
Conceptul de " materie vie” și întregul complex de idei despre activitatea sa geochimică a fost introdus în știință de V. I. Vernadsky. În 1919, el a scris: „Sub denumirea de materie vie, mă voi referi la totalitatea tuturor organismelor și animalelor, inclusiv a omului. Din punct de vedere geochimic, acest ansamblu de organisme este semnificativ doar prin masa de materie care îl compune, ei compoziție chimicăși energia asociată cu acesta. Evident, doar din acest punct de vedere materia vie este importantă pentru sol, întrucât, din moment ce avem de-a face cu chimia solului, avem de-a face cu o manifestare particulară a proceselor geochimice generale. Materia vie care a devenit parte a solului provoacă cele mai diverse modificări ale proprietăților sale, care de obicei nu sunt luate în considerare în știința solului. În primul rând, mă voi opri aici asupra efectului său asupra granulației fine a solului, deoarece această proprietate a solului este diferența sa cea mai elementară și accentuată față de toate celelalte produse ale suprafeței pământului. De asemenea, determină cursul tuturor reacțiilor chimice din sol și face din sol zona cea mai activă din punct de vedere chimic din biosferă.
În același timp, omul de știință a exprimat pentru prima dată ideea descoperirii comune. elemente chimiceîn materia vie, care este determinată de proprietățile biologice ale organismelor, și nu proprietăți chimice elemente.
Pentru a construi organisme vii din 105 elemente chimice, sunt necesare șase - carbon, azot, hidrogen, oxigen, fosfor, sulf. Se caracterizează prin greutate atomică scăzută, ușurință în întoarcere și atașarea electronilor. Elementul principal dintre ele este carbonul. Datorită capacității atomilor de a se combina într-un lanț, carbonul poate forma un număr infinit de compuși. Celelalte cinci elemente formează extrem de ușor, de asemenea, perechi de electroni comune cu atomi ai altor elemente, inclusiv între ele.
În ceea ce privește cantitatea de elemente acumulate, 99,9% din greutatea vie a organismelor sunt elementele „duzinei inițiale”: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, C1, K, Ca, Fe. Toate aparțin primelor 26 de elemente ale sistemului periodic, asupra cărora a atras atenția D. I. Mendeleev. Greutatea în viu este formată în proporție de 99% din doar patru elemente - H, C, N, O, care sunt foarte reactive, au compuși foarte solubili și interacționează activ cu carbonul.
În biosferă, ciclul unui element va fi rapid și stabil numai dacă acest element nu este doar solubil, ci și volatil, adică. dacă unul dintre compușii săi poate, ca apa, să se întoarcă pe pământ prin.
Există cel puțin trei astfel de elemente în biosferă: carbon, azot și sulf. Printre compușii lor „aerului” se numără dioxidul de carbon (CO2), metanul (CH4), azotul liber (N2), amoniacul (NH3), hidrogenul sulfurat (H2OS) și dioxidul de sulf (SO2). Interesant este că în procesul ciclării, carbonul, azotul și sulful își schimbă valența. Toate se află în biosferă într-o formă mai redusă decât în lumea înconjurătoare.
În schimbul de substanțe între natura animată și cea neînsuflețită, cea mai importantă este redistribuirea gazelor. Plantele, sintetizând materia organică, absorb dioxidul de carbon din atmosferă și eliberează oxigen. Legarea a 1 g de carbon în materia organică este însoțită de eliberarea a 2,7 g de oxigen. Din 1 hectar de luncă se eliberează în atmosferă 10-12 mii m3 de oxigen pe an.
Cea mai importantă etapă a ciclului este reducerea dioxidului de carbon. În esență, este o reacție de adiție de hidrogen care are ca rezultat formaldehidă. Sursa de hidrogen este dehidrogenarea apei (eliminarea hidrogenului din aceasta), în timp ce oxigenul este eliberat pe parcurs. Acest mod de stocare a energiei legături chimice este caracteristic doar plantelor verzi, dar energia acumulată devine potrivită pentru alte reacții vitale și pentru funcționarea lanțurilor () trofice. Carbonul fixat de plante și apoi folosit nu numai de acestea, ci și de animale, revine în mediul extern, unde poate fi inclus în oricare dintre ciclurile geochimice. Amintiți-vă că biosfera se caracterizează nu numai prin prezența materiei vii. Conține cantități semnificative de apă lichidă, preia un flux puternic de energie din lumina soarelui, în biosferă există interfețe între substanțe care se află în una din cele trei faze - solidă, lichidă și gazoasă. Din acest motiv, biosfera se caracterizează printr-o circulație continuă a materiei și energiei, în care organismele vii joacă cel mai activ rol.
Biosfera se caracterizează nu numai prin prezența materiei vii. De asemenea, are următoarele trei caracteristici: conține o cantitate semnificativă de apă lichidă; un flux puternic de energie din razele soarelui se repezi spre el; conține interfețe între substanțe în trei faze - solidă, lichidă și gazoasă. În acest sens, în cadrul biosferei se realizează un ciclu continuu de materie și energie, în care organismele vii joacă cel mai activ rol.
Biosfera acumulează și redistribuie fluxuri uriașe de materie și energie. Acest proces este posibil numai datorită proprietăților chimice ciclic, sau "organic" elemente numite astfel de V. I. Vernadsky în clasificarea geochimică a elementelor pentru capacitatea lor la numeroase procese reversibile chimic.
Natura ciclică a reacțiilor chimice a fost prevăzută pentru prima dată de oamenii de știință din secolul al XVIII-lea pentru gazele atmosferice, în special pentru oxigen. Într-o formă clară, ideile de cicluri chimice au fost exprimate de omul de știință scoțian J. Pringle în 1773, când a discutat despre echilibrul vieții vegetale și animale în raport cu oxigenul liber și dioxidul de carbon și apoi de A. Lavoisier. Oamenii de știință francezi J. B. Dumas și J. Bussingault au oferit în 1842 o imagine vie a ciclurilor chimice, iar ceva mai târziu C. Bischof și J. Liebig au transferat aceste idei în elemente de cenușă. Scoarta terestra. Acest ciclu biotic a fost numit de V. I. Vernadsky „organizarea biosferei”. Cel mai important punct aici este activitatea geochimică a materiei vii.
În 1919, Vernadsky a scris: „Prin denumirea de materie vie, voi însemna totalitatea tuturor organismelor, planta
și animale, inclusiv oameni. Din punct de vedere geochimic, acest ansamblu de organisme este semnificativ doar prin masa de materie care îl alcătuiește, compoziția sa chimică și energia asociată acesteia.În același timp, omul de știință a exprimat pentru prima dată ideea paragenezei organice ca factor al transformărilor geochimice - prezența comună a elementelor chimice în materia vie, care este determinată de proprietățile biologice ale organismelor și nu de proprietățile chimice ale elementelor.
V. I. Vernadsky a atribuit C, O, H, N, S, P, C1, K, Mg, Ca, Na, Fe principalelor elemente ale paragenezei organogene, cărora Si, Mn, F, I, Co, B, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V. Organismele vii conțin întotdeauna cel puțin 20 - 25 de elemente chimice.
Elementele chimice consumate de organisme contribuie la derularea proceselor biochimice în ele: respirația, fotosinteza, sinteza proteinelor, metabolismul proteinelor, carbohidraților și grăsimilor, menținând homeostazia mediului intern, echilibrul său apă-sare. Aceste procesele fiziologice determina nevoile organismelor vii pentru anumite elemente într-o formă accesibilă din punct de vedere biologic și cursul proceselor biogeochimice din mediu.
Din cele 105 elemente chimice, șase sunt necesare pentru a construi organismele vii: C, N, H, O, P, S. Aceste elemente se caracterizează printr-o masă atomică scăzută, ușurința de a elibera și atașa electroni. Elementul principal dintre ele este carbonul. Datorită neutralității electrice a atomului, capacității atomilor de a se combina într-un lanț, carbonul poate forma un număr infinit de compuși. Celelalte cinci elemente formează extrem de ușor, de asemenea, perechi de electroni comune cu atomi ai altor elemente, inclusiv între ele.
În ceea ce privește cantitatea de elemente acumulate, 99,9% din greutatea vie a organismelor sunt elemente „duzină originală”: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, C1, K, Ca, Fe. Toate aparțin primelor 26 de elemente mai ușoare. Sistem periodic, asupra căruia D.I. Mendeleev a atras atenția. 99% din greutatea vie este formată din doar patru elemente: H, C, N, O, care sunt foarte reactive, au compuși foarte solubili și interacționează activ cu carbonul.
Trebuie amintit că nicio biografie reacții chimice oamenii de pe Pământ nu rămân fără apă, iar prezența apei libere este o caracteristică la fel de importantă a biosferei ca și activitatea. "materie vie". Chiar și limitele vieții active din biosferă se datorează posibilității de a găsi aici apă în stare lichidă. O cantitate mare de apă este atât de caracteristică oricăror organisme vii încât, după cum a scris faimosul fiziolog german E. Dubois-Reymond,
organismul este apa animata. Pentru un organism viu, apa legată care nu își pierde proprietățile de bază este o componentă indispensabilă. Cantitatea sa în organismele vii, cu excepția sporilor și a semințelor inerte, variază de la 60 la 99,7%.
În biosferă, circulația unui element va fi rapidă și stabilă numai dacă substanțele nu sunt doar solubile, ci și volatile, adică. dacă unul dintre compușii elementului poate, ca apa, să se întoarcă pe pământ prin atmosferă. Există cel puțin trei astfel de elemente în biosferă: C, N și S. Printre compușii lor „aerului” se numără dioxidul de carbon (CO 2), metanul (CH 4), azotul liber (N 2), amoniacul (NH 3), hidrogen sulfurat (H 2 S) și dioxid de sulf (SO 2). Interesant este că, în procesul ciclării, carbonul, azotul și sulful își schimbă valențele. În mod clar nu este o coincidență că toate se găsesc în biosferă într-o formă mai redusă decât în mediu.
Biochimia modernă consideră că trei reacții chimice principale asigură formarea biomasei și ciclul biogenic:
fixarea carbonului în procesul de fotosinteză sau chemosinteză, cu alte cuvinte, carboxilare;
recuperarea sulfului de către microbi - anaerobi obligatorii;
reducerea azotului prin adăugarea de hidrogen, adică hidrogenare.
Dintre aceste reacții, doar fixarea carbonului are loc în mod necesar într-o plantă verde sub acțiunea luminii solare. Celelalte două reacții sunt efectuate de microbi în condiții anaerobe. Apa, în principiu, este capabilă să circule singură, fără ajutorul biosferei. Dar, fiind o sursă de hidrogen, care dă energie biosferei, apa nu poate decât să fie implicată în reacțiile care au loc în materia vie.
În schimbul de substanțe între natura animată și cea neînsuflețită, cea mai importantă este redistribuirea gazelor. Plantele, sintetizând materia organică, absorb dioxidul de carbon din atmosferă și eliberează oxigen. Legarea a 1 g de carbon în materia organică este însoțită de eliberarea a 2,7 g de oxigen. Din fiecare hectar de pajiște, 10-12 mii m 3 din acest gaz sunt eliberați în atmosferă pe an. Anual, aportul de oxigen este completat cu (7-10) · 10 10 tone datorită fotosintezei plantelor verzi.
Cea mai importantă etapă a acestui ciclu este reducerea fotosintetică a dioxidului de carbon. Este în esență o reacție de hidrogenare care are ca rezultat formaldehidă. Sursa de hidrogen este dehidrogenarea apei (eliminarea hidrogenului din aceasta); eliberând simultan oxigen. Această metodă de acumulare a energiei legăturilor chimice este caracteristică numai plantelor verzi, dar energia acumulată devine potrivită pentru utilizare în interiorul corpului pentru alte lucruri vitale.
reacții, și în ecosistem pentru funcționarea lanțurilor trofice (trofice). Carbonul fixat de plante și apoi folosit nu numai de acestea, ci și de animale, este returnat din nou oxidat în dioxid în mediul extern, unde poate fi inclus în orice ciclu geochimic.
Reducerea chimică a azotului, una dintre cele mai importante reacții de hidrogenare, nu poate fi realizată de plantele verzi, deși rezultatul său nu le este deloc indiferent: ciclurile carbonului și azotului sunt strâns dependente unul de celălalt. Fără microorganisme care absorb azotul din aer și hidrogenează azotul (sursa de carbon pentru ele este dioxidul său), tot azotul din biosfere ar trece curând în atmosferă și ar rămâne acolo într-o formă oxidată stabilă.
nivel biosferic- cea mai înaltă formă de organizare a vieții pe Pământ. La acest nivel, toate ciclurile materiei sunt combinate și energia este transformată într-un singur ciclu. Viitoarele sunt organizate în funcție de tipul de sisteme ierarhice: trecerea de la un nivel la altul este asociată cu păstrarea mecanismelor funcționale care au acționat asupra nivelul anterior, iar odată cu apariția unor noi structuri și funcții, noi calități. Nivelul este reprezentat de biosferă - zona vieții active. Ea acoperă aerosferă(atmosfera inferioara) hidrobiosferă(hidrosferă), terrabiosferă(suprafața terenului) și litobiosferă(partea superioară a litosferei). Biosfera este un strat destul de subțire: viața microbiană este distribuită până la 22 km deasupra suprafeței, iar în oceane prezența vieții s-a găsit la adâncimi de până la 10-11 km sub nivelul mării. Viața pătrunde mai puțin în scoarța terestră, microorganismele se găsesc la foraj la adâncimi de 2 - 3 km. Din întâmplare, materia vie cade și în straturile situate lângă „sus” și „dedesubt”, ele sunt numite pereche-și metabiosferă respectiv. Dar „filmul vieții” acoperă întregul Pământ, chiar și în deșerturi și s-au găsit urme de gheață ale celor vii. Distribuția vieții este extrem de inegală. În sol (straturile superioare ale litosferei), hidrosferă și straturile inferioare ale atmosferei - cea mai mare cantitate de materie vie.
Dezvoltarea doctrinei biosferei are propria sa istorie. Unul dintre primii naturaliști care au privit Pământul ca întreg a fost M.V. Lomonosov. El a scris în lucrarea sa „Despre straturile pământului” că „cernoziomul nu este materie primitivă și nu primordială, ci provine din degradarea animalelor și a corpurilor în creștere în timp”, că cărbunele brun, cărbunele și cernoziomul sunt rezultatul influența organismelor asupra solului. Lomonosov a oferit o schiță generală a geologiei Pământului și a dovedit vechimea acesteia ca planetă. La acea vreme, chiar și fosilele - rămășițele fosile ale organismelor - erau departe de a fi percepute de toată lumea ca urme ale odinioară viața anterioară. În 1802, Lamarck, în Hidrogeologie, a subliniat rolul organismelor vii în procesele geologice. Cartea lui A. Humboldt „Cosmos” conține o mulțime de materiale despre influența viețuitoarelor asupra structurilor geologice.
Originea domesticului agrochimie asociat cu D.I. Mendeleev. El a cercetat problemele nutriției plantelor și creșterea recoltelor.
culturi. Eficiența îngrășămintelor minerale și organice a fost studiată de A.N. Engelgardt și D.N. Pryanishnikov. A apărut la începutul secolului al XX-lea. geochimia a plecat de la principiile evoluției. Formarea pădurilor din sol a studiat V. A. Obrucev, iniţiator permafrost, a studiat tectonica si geologia. V.V. Dokuchaev, cu lucrarea sa „Cernoziomul rusesc”, a fost deschis stiinta solului ca disciplină științifică la intersecția dintre geologie, biologie și chimie. El are sol - un corp natural deosebit, care este de mare importanță pentru Agricultură. El a dat prima clasificare a solurilor din lume, a conturat doctrina zonelor peisagistice-geografice, a elaborat planuri de combatere a secetei, prevăzând o serie de măsuri agronomice și de recuperare a pădurilor. M. M. Sibirtsev și P. A. Kostychev au lucrat cu el. Sibirtsev a participat la multe expediții în stepele de sud ale Rusiei, a scris primul manual „Știința solului” (1889). Kostychev a arătat relația dintre proprietățile solului și activitatea vitală a plantelor și microorganismelor, precum și rolul omului în schimbarea acestor relații. El a stabilit (1886) rol decisiv organisme inferioare în formarea humusului (humus). Omul de știință german G. Gelriger a arătat experimental simbioza leguminoaselor cu bacteriile nodulare (1888), care s-a dovedit a fi importantă în agronomie.
Omul de știință rus V. R. Williams a dovedit rolul factori biologici(comunități naturale de plante verzi superioare și microorganisme) în formarea fertilității solului. El a fost primul care a subliniat importanța ciclului biologic al elementelor în formarea nu numai a părții organice, ci și a părții minerale a solurilor, dezvoltate. fundamente științifice sistem de agricultură cu iarbă (1914). Dokuchaev, care a predat mineralogia, a determinat interesele vitale ale lui V. I. Vernadsky încă din anii săi de studenție. Vernadsky a studiat evoluția mineralelor scoarței terestre (1908), a creat o clasificare geochimică a elementelor chimice, a dezvoltat doctrina migrării atomilor în scoarța terestră, a pus bazele direcției genetice în mineralogie și a fost probleme generale de mineralogie şi geologie care l-au condus la conceptul de biogeochimie (1917). „Biosfera” de Vernadsky oferă o imagine completă a mecanismului de formare a scoarței terestre, ținând cont de influența determinantă a vieții.
V.I.Vernadsky a creat doctrina biosferei ca o înveliș activ al Pământului, în care activitatea totală a organismelor vii - factor geochimic scară și semnificație planetară. Termenul „biosferă”, introdus (1875) de E. Suess, se referea la totalitatea organismelor care trăiesc pe suprafața Pământului. Vernadsky a inclus și omul în conceptul de organisme vii. El a remarcat în biosferă inert(energie solară, roci, minerale etc.) și bio-inert(soluri, ape de suprafață și materie organică). Deși materia vie în termeni de masă și volum reprezintă o parte nesemnificativă a biosferei, ea joacă un rol major în procesele geologice asociate cu schimbarea planetei noastre.
Potrivit lui Vernadsky, biosfera este substanța vie a planetei și substanța inertă transformată de aceasta. Conceptul de „biosferă” este un concept fundamental al biogeochimiei, și nu biologic sau geologic. Biosfera organizează procese pe Pământ și în apropierea Pământului, procesele bioenergetice și metabolismul au loc în ea ca urmare a activității vitale. Un organism viu este o parte integrantă a scoarței terestre care o poate schimba. Materia vie - un set de organisme implicate în procese geochimice. Organismele preiau elemente chimice din mediu, construiesc corpuri din ele, le returnează în același mediu atât în procesul vieții, cât și după moartea lor. Prin urmare, materia vie leagă biosfera împreună, este un factor de formare a sistemului. Schimbările în materia vie au loc mult mai repede decât în materia inertă, prin urmare ele folosesc conceptul de timp istoric în ea și timpul geologic în materia inertă. În cursul timpurilor geologice, puterea materiei vii și impactul ei asupra materiei inerte crește și numai în materia vie în aceste vremuri apar modificări calitative. Și materia vie, poate, are propriul său proces de evoluție, indiferent de schimbările din mediu.
Dacă „ciclul de viață” al unui organism individual este finit și existența lui nu este nelimitată, atunci viața în ansamblu poate fi considerat nemuritor din punct de vedere geologic. Din punct de vedere geologic, viața este eternă, așa că dacă un individ își pierde în cele din urmă capacitatea de a lucra și încetează să mai existe, atunci procesul vieții în sine se distinge prin creșterea continuă a capacității de a face muncă externă. El a exprimat această idee în trei principii, pe care le-a numit biogeochimic:
1 - energia liberă (biogeochimică) tinde spre manifestare maximă în biosferă;
2 - în timpul evoluției speciilor supraviețuiesc acele organisme care își măresc energia liberă cu viața;
3 - așezarea Pământului ar trebui să fie maximă posibilă în timpul geologic.
Aceste principii exprimă numai legea naturii vii și nu contrazic legile termodinamicii. Întregul flux al materiei vii de la cele mai simple la cele mai avansate forme, inclusiv mintea umană și munca socială, este acea formă de mișcare a materiei în care legea entropiei scade, în timp ce crește pentru materia anorganică. Și aceste două tipuri de materie sunt conectate într-un singur întreg. Vernadsky a aplicat cu succes legea creșterii entropiei pentru a explica evoluția cosmică a Pământului. Și a considerat nașterea biosferei ca un „punct special” planetar-cosmic - un salt calitativ, până la care procesele naturii neînsuflețite au prevalat pe suprafața planetei noastre și după care procesele din natura vie au început să predomine.
drăguț. Sub acțiunea energiei radiante, viața organică ia naștere și se dezvoltă ireversibil.
Vernadsky credea că viața pe Pământ a apărut concomitent cu formarea planetei: „Făpturile Pământului sunt crearea unui proces cosmic, o parte necesară și naturală a unui mecanism cosmic armonios”. Printre numeroasele modele care au loc în biologie, geologie, biochimie și geochimie, Vernadsky a evidențiat principalele principii empirice.
1. Principiul integritatii a biosferei este asigurată de autoconsistența tuturor proceselor din biosferă. Viața este limitată de limite înguste - constante fizice, niveluri de radiație etc. Constanta gravitațională determină mărimea stelelor, temperatura și presiunea din ele. Dacă devine mai mică, stelele vor avea mase mai mici, temperatura lor va deveni insuficientă pentru a avea loc reacții nucleare; dacă mai mult, stelele își vor trece „masa critică”, vor părăsi circulația generală și se vor transforma în găuri negre. Constanta interacțiunii electromagnetice determină transformări chimice, este responsabil pentru învelișul de electroni atomi și puterea legăturilor din molecule. constantă de interacțiune slabă, responsabil de transformare particule elementare, când se va schimba, ne va „submina” întreaga lume. constanta de interacțiune puternică, responsabil pentru stabilitatea nucleelor atomilor, nu ar trebui să se schimbe, altfel reacțiile în stele vor merge diferit, carbonul și azotul ar putea să nu se formeze. Și nu este clar dacă viața de tipul nostru va fi deloc posibilă.
2. Principiul armoniei biosferei și organizarea acesteia legat de cel precedent. Legile transformării energiei pe Pământ, legile mișcării atomilor sunt o reflectare a armoniei Cosmosului, a ritmului de mișcare. corpuri cerești. Baza existenței biosferei este poziția Pământului în spațiu, înclinarea axei pământului față de ecliptică, care determină clima și ciclurile de viață ale tuturor organismelor. Soarele este principala sursă de energie a biosferei și regulatorul proceselor biologice. După cum a remarcat Yu. R. Mayer, „viața este creația unei raze de soare”.
3. Rolul spațial al biosferei în transformarea energiei- această parte a naturii vii poate fi considerată ca o dezvoltare ulterioară a aceluiași proces de transformare a energiei luminii solare în energie efectivă a Pământului. Biosfera este una și aceeași nava spatiala din cele mai vechi timpuri geologice. Viața a rămas constantă în tot acest timp, doar forma ei s-a schimbat. Materia vie în sine nu este o creație întâmplătoare. Surse de energie ale fenomenelor geologice - cosmice, în principal solare; planetar, asociat cu structura și istoria cosmică a Pământului; energia internă a materiei este radioactivitatea. Materia vie transformă în mod activ energia solară în mișcare moleculară chimică și în complexitatea structurilor biologice.
4. Răspândirea vieții- manifestarea energiei sale geochimice, analog legii inerției materie neînsuflețită. Organismele mici se reproduc mai repede decât cele mari. Rata de transmitere a vieții depinde de densitatea materiei vii.
5. autotrof organismele iau tot ce au nevoie pentru viață din materia inertă din jurul lor și nu au nevoie de compuși gata preparati ai unui alt organism pentru a-și construi corpul. Câmpul de existență al organismelor autotrofe verzi este determinat în primul rând de zona de penetrare a luminii solare.
6. energie spațială provoacă presiunea vieții, care se realizează prin reproducere. Reproducerea organismelor scade pe măsură ce numărul lor crește.
7. Forme de găsire a elementelor chimice: roci și minerale, magme, oligoelemente, materie vie. Scoarța terestră este un mecanism complex în care atomii și moleculele se mișcă constant, au loc diverse cicluri geochimice, determinate în mare măsură de activitatea materiei vii. Legea frugalității în folosirea corpurilor chimice simple de către materia vie: odată ce un element intră, acesta trece printr-o serie lungă de stări, iar organismul introduce în sine doar numărul necesar de elemente.
8. Viața pe Pământ este complet determinată de câmp durabilitatea vegetației verzi. Limitele vieții sunt determinate de proprietățile fizico-chimice ale compușilor care construiesc organismul, de indestructibilitatea lor în anumite condiții de mediu. Câmpul maxim al vieții este determinat de limitele extreme ale supraviețuirii organismelor. Limita superioară a vieții se datorează energiei radiante, a cărei prezență exclude viața și de care protejează stratul de ozon. Limita inferioară este asociată cu atingerea unei temperaturi ridicate. Intervalul de 432 °С (de la -252 la +180 °С) este scutul termic maxim.
9. Principiul constanței cantității de materie vieîn biosferă. Cantitatea de oxigen liber din atmosferă este de aceeași ordine cu cantitatea de materie vie (1,5-10 18 kg și 10 17 -10 18 kg). Rata de transmitere a vieții nu poate depăși limitele care încalcă proprietățile gazelor. Există o luptă pentru gazul necesar.
10. Fiecare sistem ajunge într-o poziție de echilibru stabil
acest, când energia sa liberă este egală cu zero sau se apropie
la acesta, adică atunci când toate lucrările sunt posibile în condițiile sistemului
epuizat. Conceptul de echilibru stabil este extrem de important.
principiul antropic, propus de G. M. Idlis (1958), este asociat cu primul dintre principiile lui Vernadsky enumerate aici și constă în corespondența exactă a valorilor constantelor lumii cu posibilitățile de existență a vieții. Consistența uimitoare a unui număr de cantități dă impresia că poate exista un principiu ascuns care ordonează întregul Univers. La asta
De fapt, mulți oameni au aplicat. Acum este formulat în două versiuni - slab și puternic. După cum a spus celebrul fizician american J. Dyson: „Dacă ne uităm atent la Univers și vedem câte accidente ne-au servit bine, aproape că se pare că Universul știa că vom apărea.” Aceasta este una dintre formulările principiului slab, în literatura engleză – WAP. Dar nu răspunde la multe întrebări, cum ar fi de ce universul este astfel încât a permis originea vieții. Sau poate nu este necesar să se creeze teorii care să nu permită existența unui observator? Un principiu puternic este că apariția vieții este naturală în Univers, dar poate că apariția unui observator este scopul evoluției Universului?
Rolul geologic al vieții Vernadsky clasificat în cinci categorii: energie, concentrare, distructiv, formator de mediu, transport. Organismele vii creează migrarea elementelor chimice în biosferă prin respirația, nutriția, metabolismul lor, schimbarea continuă a generațiilor. Energia biogeochimică a celor vii este sursa de energie pentru transformarea geosferelor.
Organismele vii se îmbogățesc mediu inconjurator oxigen, reglați cantitatea de dioxid de carbon, sărurile diferitelor metale și o serie de alți compuși - într-un cuvânt, mențineți compoziția atmosferei, hidrosferei și a solului necesare vieții. În mare parte datorită organismelor vii, biosfera are proprietatea de autoreglare - capacitatea de a menține condițiile de pe planetă create de Creator.
Rolul uriaș al organismelor vii în mediu a permis oamenilor de știință să propună o ipoteză conform căreia aerul atmosfericși solul creat de organismele vii înseși pe parcursul a sute de milioane de ani de evoluție. Conform Scripturii, atât solul, cât și aerul erau deja prezente pe Pământ în ziua în care au fost create primele făpturi vii.
Academicianul Vernadsky, bazat pe asemănarea structurii rocilor geologice aflate mai adânc decât Cambrianul, cu cele mai ulterioare, a sugerat că viața sub formă de organisme simple a fost prezentă pe planetă „aproape de la început”. Eșecul acestor construcții științifice a devenit mai târziu evidentă geologilor.
Meritul neîndoielnic al lui V. I. Vernadsky este convingerea fermă că viața apare numai din organismele vii, dar omul de știință, respingând doctrina biblică despre crearea lumii, a crezut că „viața este veșnică, așa cum cosmosul este etern”, și a ajuns la Pământ de pe alte planete. Ideea fantastică a lui Vernadsky nu a fost confirmată. Ipoteza originii evolutive a organismelor planetei din cele mai simple forme este chiar mai controversată astăzi decât pe vremea lui Vernadsky.
Baza energetică a existenței vieții pe Pământ este Soarele, astfel încât biosfera poate fi definită ca o înveliș a Pământului pătrunsă de viață, a cărei compoziție și structură este formată din activitatea comună a organismelor vii și este determinată de aflux constant de energie solară.
Vernadsky a subliniat principala diferență dintre biosferă și alte învelișuri ale planetei - manifestarea în ea a activității geologice a ființelor vii. Potrivit omului de știință, „întreaga existență a scoarței terestre, cel puțin în ceea ce privește greutatea masei substanței sale, în caracteristicile ei esențiale, din punct de vedere geochimic, este condiționată de viață”. Vernadsky a considerat organismele vii ca un sistem de transformare a energiei luminii solare în energia proceselor geochimice.
Compoziția biosferei distinge între materia vie și cea nevie - organisme vii și materie inertă. Cea mai mare parte a materiei vii este concentrată în zona de intersecție a celor trei învelișuri geologice ale planetei: atmosfera, hidrosfera (oceane, mări, râuri etc.) și litosferă (stratul de suprafață al rocilor). Materia neînsuflețită a biosferei include o componentă a acestor învelișuri, conectată cu materia vie prin circulația materiei și a energiei.
În componenta nevie a biosferei se regăsesc: substanța biogenă, care este rezultatul activității vitale a organismelor (petrol, cărbune, turbă, gaze naturale, calcare de origine biogenă etc.); substanță bioinertă, formată în comun de organisme și procese nebiologice (soluri, nămoluri, apa naturală a râurilor, lacurilor etc.); o substanță inertă care nu este un produs al activității vitale a organismelor, ci este inclusă în ciclul biologic (apă, azot atmosferic, săruri metalice etc.).
Limitele biosferei pot fi determinate doar aproximativ. Deși sunt cunoscute faptele de detectare a bacteriilor și sporilor la o altitudine de până la 85 km, concentrația materiei vii la altitudini mari atât de neînsemnată încât biosfera este considerată limitată la o altitudine de 20-25 km strat de ozon, protejând ființele vii de efectele distructive ale radiațiilor dure.
În hidrosferă, viața este omniprezentă. În șanțul Marianelor la o adâncime de 11 km, unde presiunea este de 1100 atm și temperatura este de 2,4°C, omul de știință francez J. Picard a observat prin fereastră holoturii, alte nevertebrate și chiar pești. Bacteriile, diatomeele și algele albastru-verzi, foraminiferele și crustaceele trăiesc sub o grosime de peste 400 m de gheață antarctică. Bacteriile se găsesc sub un strat de mâl marin la 1 km distanță, în puțuri de petrol la o adâncime de până la 1,7 km, în panza freatica la o adâncime de 3,5 km. Adâncimile de 2-3 km sunt considerate limita inferioară a biosferei. Grosimea totală a biosferei, prin urmare, în diferite părți ale planetei variază de la 12-15 la 30-35 km.
Atmosfera este compusă în principal din azot și oxigen. Cantități mici includ argon (1%), dioxid de carbon (0,03%) și ozon. Starea atmosferei depinde de activitatea vitală atât a organismelor terestre, cât și a creaturilor acvatice. Oxigenul este folosit în principal pentru respirație și mineralizarea (oxidarea) a morții materie organică. Dioxidul de carbon este esențial pentru fotosinteză.
Hidrosferă. Apa este una dintre cele mai esențiale componente ale biosferei. Aproximativ 90% din apă se află în oceanul lumii, care ocupă 70% din suprafața planetei noastre și conține 1,3 miliarde km3 de apă. Râurile și lacurile cuprind doar 0,2 milioane km3 de apă, iar organismele vii - aproximativ 0,001 milioane km3. Concentrația de oxigen și dioxid de carbon din apă este esențială pentru viața organismelor. Conținutul de dioxid de carbon din apă este de 660 de ori mai mare decât în aer. În mări și oceane, se disting cinci tipuri de condensări ale vieții:
1. Coasta offshore. Această zonă este bogată în oxigen, substanțe organice și alți nutrienți proveniți din pământ (de exemplu, cu apa râului). Aici, la o adâncime de până la 100 m, planctonul și bentosul său inferior „partenerul” înflorește, procesând organisme de plancton pe moarte.
Planctonul oceanic este format din două comunități:
a) fitoplancton - alge (70% dintre ele sunt diatomee microscopice) și bacterii;
b) zooplancton - consumatorii primari de fitoplancton (moluște, crustacee, protozoare, tunicate, diverse nevertebrate).
Viața zooplanctonului se desfășoară în mișcare constantă, fie urcă, fie coboară până la o adâncime de 1 km, evitându-și mâncătorii (de unde și numele: planctonul grecesc rătăcitor). Zooplanctonul este hrana principală a balenelor cu fani. Fitoplanctonul reprezintă doar 8% din masa zooplanctonului, dar, înmulțindu-se rapid, produce de 10 ori mai multă biomasă decât restul vieții oceanice. Fitoplanctonul furnizează 50% din oxigen (restul de 50% este produs de păduri).
Organisme bentonice - crabi, cefalopode și bivalve, viermi, stele de mare iar aricii, holoturii („castraveți de mare” sau alt nume - trepangs), foraminifere (rizomi de mare), algele și bacteriile sunt adaptate la viață aproape fără lumină. Prelucrarea materiei organice și transformarea acesteia în minerale, care sunt livrate în straturile superioare prin fluxuri ascendente, bentosul hrănește planctonul. Cu cât bentosul este mai bogat, cu atât planctonul este mai bogat și invers. În afara raftului, numărul ambelor scade brusc.
Planctonul și bentosul formează un strat gros de nămoluri calcaroase și silice în ocean, care formează roci sedimentare. Sedimentele de carbon se pot transforma în piatră în doar câteva decenii.
2. Îngroșările de upwelling se formează la locurile fluxurilor ascendente care transportă produsele bentos la suprafață. Sunt cunoscute afloririle californiane, somaleze, bengale, canare și în special peruviane, care oferă aproximativ 20% din pescuitul mondial.
3. Recif - cunoscut tuturor recifelor de corali, abundent în alge și moluște, echinoderme, albastru-verzi, corali și pești. Recifele cresc neobișnuit de repede (până la 20-30 cm pe an) nu numai datorită polipilor de corali, ci și datorită activității vitale a moluștelor și echinodermelor, care concentrează calciul, precum și algelor verzi și roșii cu schelet calcaros.
Principalul producător de ecosisteme de recif este algele fototrofe microscopice, prin urmare recifele sunt situate la adâncimi de cel mult 50 m, necesită apă caldă limpede cu o anumită salinitate. Recifele sunt unul dintre cele mai productive sisteme din biosferă, producând anual până la 2 t/ha de biomasă.
4. Îngroșarea sargaselor – câmpuri de alge brune și violete care plutesc la suprafață cu multe bule de aer. Distribuit în Sarga și Marea Neagră.
5. Riftul abisal concentrațiile aproape de fund se formează la o adâncime de până la 3 km în jurul izvoarelor termale pe faliile crustei oceanice (rift). În aceste locuri, hidrogenul sulfurat, ionii de fier și mangan, compușii de azot (amoniac, oxizi) sunt îndepărtați din interiorul pământului, hrănind bacterii chimiotrofe - producători consumați de organisme mai complexe - moluște, crabi, raci, pești și uriași viermi sesili. rupturi animale. Aceste organisme nu au nevoie lumina soarelui. În zonele de ruptură, creaturile cresc de aproximativ 500 de ori mai repede și ating dimensiuni impresionante. Bivalvele cresc până la 30 cm în diametru, bacteriile - până la 0,11 mm! Sunt cunoscute grupuri de rift din Galapagos, precum și lângă Insula Paștelui.
În mare, predomină o varietate de animale, iar pe uscat - plante. Doar angiospermele reprezintă 50% din specii, iar algele marine doar 5%. Biomasa totală de pe uscat este reprezentată de 92% plante verzi, iar în ocean 94% sunt animale și microorganisme.
Biomasa planetei este actualizată în medie la fiecare 8 ani, plantele terestre - în 14 ani, oceanele - în 33 de zile (fitoplancton - zilnic). Toată apa trece prin organismele vii în 3 mii de ani, oxigenul în 2-5 mii de ani și dioxidul de carbon atmosferic în doar 6 ani. Ciclurile carbonului, azotului și fosforului sunt mult mai lungi. Ciclul biologic nu este închisă, aproximativ 10% din substanță trece sub formă de depozite sedimentare și înmormântări în litosferă.
Masa biosferei este de numai 0,05% din masa Pământului, iar volumul acesteia este de aproximativ 0,4%. Masa totală a materiei vii este de 0,01-0,02% din materia inertă a biosferei, dar rolul organismelor vii în procesele geochimice este foarte semnificativ. Producția anuală de materie vie este de aproximativ 200 de miliarde de tone de greutate uscată a materiei organice, în procesul de fotosinteză 70 de miliarde de tone de apă reacţionează cu 170 de miliarde de tone de dioxid de carbon. În fiecare an, activitatea vitală a organismelor implică 6 miliarde de tone de azot, 2 miliarde de tone de fosfor, fier, sulf, magneziu, calciu, potasiu și alte elemente din ciclul biogenic. Omenirea, folosind numeroase tehnici, extrage aproximativ 100 de miliarde de tone de minerale pe an.
Activitatea vitală a organismelor aduce o contribuție semnificativă la circulația planetară a substanțelor, realizând reglarea acesteia, viața servește ca un puternic factor geologic care stabilizează și transformă biosfera.
