Екологія: біологія взаємодії. 2.01. Біосфера

Розділ 2. Біосферологія
Біосфера — оболонка Землі, що перетворюється діяльністю живих організмів. Альтернативне трактування (біосфера як оболонка Землі, в межах якої зустрічаються живі організми, «поле існування життя» за В. І. Вернадським) виявляється набагато менш корисним. В.І. Вернадський ввів поняття «жива речовина» — сукупність всіх живих організмів, що розглядається як єдине ціле. Область поширення живої речовини охоплює всю гідросферу, верхні шари літосфери і нижню частину атмосфери, але основна концентрація живих організмів спостерігається в приповерхневому шарі суші і океану.

Екологія: біологія взаємодії. 2.02. Ноосфера

Ймовірно, основним автором поняття «ноосфера» був П'єр Тейяр де Шарден, французький священик і вчений-еволюціоніст. Тейяр був членом чернечого ордену єзуїтів, і тому висловлювані ним публічно ідеї були обмежені дисципліною ордена. Керівництво ордена єзуїтів не перешкоджало палеоантропологічним дослідженням Тейяра, але було стурбоване тим, щоб він, як священик і член ордена, не висловлював погляди, що ревізують християнство. Внаслідок цього ідею ноосфери, яка народилася у Тейяра, оприлюднив в 1927 році його друг, філософ і математик Едуард Леруа. Як підкреслювали Тейяр і Леруа, важливим джерелом цієї ідеї стали лекції з геохімії, які В.І. Вернадський читав в 1922-1923 рр. в Парижі. Надалі уявлення про ноосферу незалежно один від одного розробляли і Тейяр, і Вернадський.

Екологія: біологія взаємодії. 2.03. Гіпотеза (метафора) Геї

У 1972 році Джеймс Лавлок і Лінн Маргуліс запропонували так звану «гіпотезу Геї» — уявлення про Землю як про сверхорганизм, який підтримує свій гомеостаз. Як вказував пізніше Лавлок, вони з Маргуліс незалежно прийшли до думок, які раніше висловлювали і Джеймс Хаттон в XVII столітті, і Володимир Вернадський в XX столітті. Звичайно, для оцінки цієї точки зору важливо, що розуміється під терміном «сверхорганизм». Профанне розуміння концепції ієрархічної організації біосистем призводить до невірного висновку, що всі рівні мають бути влаштовані однаково. Достатньо задуматися про принципові відмінності організмів, популяцій, угруповань і екосистем, щоб зрозуміти, що вищий рівень зовсім необов'язково буде схожий на нижній. Уже в силу цього, «гіпотеза Геї» є швидше «метафорою Геї», при якій відбувається порівняння планети з організмом. Ця метафора корисна вже хоча б тим, що звертає увагу дослідників на пошук механізмів планетарної регуляції.

Екологія: біологія взаємодії. 2.04. Біогеохімічні цикли

Біогеохімічним циклом (БГХ-циклом) називається сукупність відносно замкнутих шляхів перетворення та переміщення речовин через живі організми і середовище їх проживання. Біогеохімічні цикли називаються так тому, що в їх забезпеченні беруть участь як біологічні, так і геохімічні процеси. Звичайно, зовсім необов'язково, щоб, пересуваючись по БГХ-циклу, елементи рухалися по якомусь колу. Однак у міру переходу з однієї молекули в іншу в складі організмів і навколишнього середовища один і той же атом може раз по раз повертатися в якийсь певний стан. В цьому і проявляється циклічність біогеохімічних процесів. У складі БГХ-циклів фонди і потоки. Фонди — сукупності речовин, що містять розглянутий елемент в певній формі. Потоки — шляхи перетворення елемента, що переводять його з одного фонду в інший.

Екологія: біологія взаємодії. 2.05. Джерела енергії для БГХ-циклів

Переміщення елементів в біосфері забезпечується завдяки трьом основним джерелам енергії ( «приводним ременям» для БГХ-циклів):
— енергія Сонця, перетворена гидросферою і атмосферою в гідрологічному циклі;
— енергія Сонця, накопичена в органічних речовинах в ході фотосинтезу;
— хтонічна енергія, тобто материнська енергія Землі; переміщення тектонічних плит, а також підняття порід при гороутворенні і вулканічних виверженнях, що робить їх доступними для водної, вітрової та біологічної ерозії.

Екологія: біологія взаємодії. 2.09. Біогеохімічний цикл Фосфору

2.09. Біогеохімічний цикл Фосфору

БГХ-цикл Фосфору є значно гірше зарегульованим, ніж тільки що розглянуті цикли Карбону і Нітрогену, тому що у Фосфору відсутній обмінний фонд в атмосфері. Фосфор — головний елемент, який контролює продуктивність водних угруповань. На прикладі експерименту з половинами ставка, де в одну його частину, відокремлену пластмасовою перегородкою, вносили сахарозу і нітрати, а в іншу — ще і фосфати, показана роль фосфатів в цих спільнотах. Друга половина зацвіла, перша ні. Знесення фосфатів з полів у водойми призводить до їх евтрофікації (підвищення «кормності» на противагу оліготрофності — «малокормності»), що може призводити до їх заболочування.

Экология: биология взаимодействия. 2.01. Биосфера

Глава 2. Биосферология
Биосфера — оболочка Земли, преобразуемая деятельностью живых организмов. Альтернативная трактовка (биосфера как оболочка Земли, в пределах которой встречаются живые организмы, «поле существования жизни» по В.И. Вернадскому) оказывается намного менее полезной. В.И. Вернадский ввел понятие «живое вещество» — совокупность всех живых организмов, рассматриваемая как единое целое. Область распространения живого вещества охватывает всю гидросферу, верхние слои литосферы и нижнюю часть атмосферы, но основная концентрация живых организмов отмечается в приповерхностном слое суши и океана.

Экология: биология взаимодействия. 2.02. Ноосфера

Вероятно, основным автором понятия «ноосфера» был Пьер Тейяр де Шарден, французский священник и ученый-эволюционист. Тейяр был членом монашеского ордена иезуитов, и поэтому высказываемые им публично идеи были ограничены дисциплиной ордена. Руководство ордена иезуитов не препятствовало палеоантропологическим исследованиям Тейяра, но было озабочено тем, чтобы он, как священник и член ордена, не высказывал взгляды, ревизующие христианство. Вследствие этого идею ноосферы, родившуюся у Тейяра, обнародовал в 1927 году его друг, философ и математик Эдуард Леруа. Как подчеркивали Тейяр и Леруа, важным источником этой идеи стали лекции по геохимии, которые В.И. Вернадский читал в 1922–1923 гг. в Париже. В дальнейшем представления о ноосфере независимо друг от друга разрабатывали и Тейяр, и Вернадский.

Экология: биология взаимодействия. 2.03. Гипотеза (метафора) Геи

В 1972 году Джеймс Лавлок и Линн Маргулис предложили так называемую «гипотезу Геи» — представление о Земле как о сверхорганизме, который поддерживает свой гомеостаз. Как указывал позже Лавлок, они с Маргулис независимо пришли к мыслям, которые ранее высказывали и Джеймс Хаттон в XVII веке, и Владимир Вернадский в XX веке. Многие взаимосвязи, обеспечивающие функционирование Геи, еще неизвестны. В гипотезе Геи переплелись элементы научной теории и религиозного пророчества.

Экология: биология взаимодействия. 2.04. Биогеохимические циклы

Земная жизнь построена на весьма сложной химической основе. Для ее существования необходимы многие химические элементы. Хотя главное соединение в составе организмов — вода, для жизнедеятельности совершенно необходимы органические вещества, состоящие из разнообразных атомов. Из элементов, являющихся важными ресурсами для биосферы, важнейшими являются так называемые биогенные элементы или биогены. К биогенам относится примерно половина из 54 встречающихся в земной коре элементов. Особенно важны макроэлементы — C, H, N, O, P, S, Ca, K и Mg, и некоторые микроэлементы — Fe, Cl, Na, Zn, V, Mo, B, Co, Cu, Si, Se, Cr, Ni, I, F, Sn и As.

Экология: биология взаимодействия. 2.05. Источники энергии для БГХ-циклов

Перемещение элементов в биосфере обеспечивается благодаря трем основным источникам энергии («приводным ремням» для БГХ-циклов): — энергия Солнца, преобразованная гидросферой и атмосферой в гидрологическом цикле; — энергия Солнца, накопленная в органических веществах в ходе фотосинтеза; — материнская энергия Земли (перемещение тектонических плит, а также поднятие пород при горообразовании и вулканических извержениях, делающее их доступными для водной, ветровой и биологической эрозии).

Экология: биология взаимодействия. 2.06. Биогеохимический цикл углерода

Рассмотрение характеристик БГХ-циклов нескольких важнейших элементов следует начать, естественно, с углерода. Углерод является основой органических соединений, и поэтому цикл углерода имеет особое значение для живых организмов. Важнейшей особенностью этого цикла является наличие запасов углекислого газа в атмосфере, откуда его могут черпать живые организмы. Перемещение углерода через живые организмы тесно связано с перемещением иных биогенов. Например, соотношение потоков углерода и азота через живые организмы составляет примерно 6:1 (шесть атомов углерода на один атом азота), а соотношение потоков углерода и фосфора — примерно 100:1. Естественно, эти соотношения отражают соотношения самих элементов в составе живого вещества.

Экология: биология взаимодействия. 2.07. Биогеохимический цикл азота

БГХ-цикл азота сложнее углеродного. Он тоже чрезвычайно важен для живых организмов. Хотя азота в атмосфере больше, чем других элементов, его включение в состав живого вещества является намного более сложной задачей, чем фиксация углерода при фотосинтезе. Наиболее доступен для растений азот в форме аммиака и нитратов, но аммиак в больших количествах токсичен, а нитраты — нет. Формы, в которых азот используется в органических соединениях — восстановленные, поэтому ассимиляция аммиака требует меньших перестроек.Поскольку на многих почвах сельскохозяйственные растения испытывают азотное голодание, человек интенсивно производит азотные удобрения, осуществляя промышленную фиксацию атмосферного азота. Промышленная фиксация азота примерно равна природной абиогенной фиксации.

Экология: биология взаимодействия. 2.08. Биогеохимический цикл серы

Сера — довольно обильный (пятнадцатый по химической распространенности) в земной коре элемент, встречающийся в различных степенях окисления. Она является необходимым компонентом белков. Потребляется сера (автотрофами и большинством гетеротрофных микроорганизмов) в окисленной форме, в виде сульфатов. В отличие от двух ранее рассмотренных элементов, сера почти не представлена в атмосфере. При разрушении органических веществ сера выделяется в восстановленной форме с выделением газа, имеющего неприятный запах, — сероводорода. Кроме сероводорода в ходе этого процесса могут образовываться и другие дурнопахнущие вещества, например, меркаптаны, которые со временем тоже превращаются в сероводород. То, что запах этих веществ кажется нам отвратительным, — следствие того, что эти газы выступают в качестве свидетельства разрушения органического вещества в бескислородных условиях.

Экология: биология взаимодействия. 2.09. Биогеохимический цикл фосфора

БГХ-цикл фосфора значительно хуже зарегулирован, чем только что рассмотренные циклы углерода и азота, потому что у фосфора отсутствует обменный фонд в атмосфере. Фосфор — главный элемент, контролирующий продуктивность водных сообществ. Снос фосфатов с полей в водоемы приводит к их эвтрофикации (повышению «кормности» в противоположность олиготрофности — «малокормности»), что может приводить к их заболачиванию.

Экология: биология взаимодействия. 2.10. (дополнение) Эволюция Вселенной, Солнечной системы и Земли

Возраст Земли (и Солнечной системы) — 4,6 миллиардов лет. Солнце и планеты образовались из газопылевого облака, результата разрушения предшествовавших звезд. Ядерные превращения в прежних звездах — причина разнообразия химических элементов на Земле, делающего возможным существование жизни. Сейчас Солнце находится на середине срока своего существования. Примерно через 5 миллиардов лет оно вначале увеличится в размерах до орбиты Земли, а потом сожмется и, наконец, взорвется. Из получившегося вещества возникнут новые звезды.

Экология: биология взаимодействия. 2.11. (дополнение) Что такое жизнь?

Жизнь — это поддержание и воспроизводство характерных высокоупорядоченных структур, которое совершенствуется в ходе эволюции и осуществляется в соответствии с внутренней программой благодаря внешним источникам вещества и энергии.

Экология: биология взаимодействия. 2.12. (дополнение) Возникновение жизни. Предживые системы

Для возникновения жизни необходимы и достаточны три условия. Это:
— возможность полного спектра переходных состояний между неживыми и живыми системами;
— возможность самопроизвольных переходов из одних состояний в другие, соседние;
— действие отбора, преимущественно сохраняющего и воспроизводящего «более живые» системы.

Экология: биология взаимодействия. 2.13. (дополнение) Геохронологическая шкала

Для описания истории земной жизни необходимо иметь шкалу, позволяющую описывать соответствующие промежутки времени. Как изучают эту историю? По последовательности осадочных пород. Взаимная последовательность пород определяется по характеру их залегания и по составу содержащихся в них ископаемых. Многочисленные в прошлом группы организмов, которые оставляли хорошо сохраняющиеся остатки (раковины, зубы, чешуи и т.д.), приобретают большое значение для определения возраста пород и называются руководящими ископаемыми. Согласованная последовательность пород разного возраста и соответствующих ей промежутков истории Земли называется геохронологической шкалой.

Экология: биология взаимодействия. 2.14. (дополнение) Некоторые этапы истории земной жизни

Кислородная революция была важнейшим переломом в истории Земли. Поменялся не только состав атмосферы, но и состав пород, формирующихся на поверхности Земли. Следствием кислородной атмосферы стало образование озонового слоя в атмосфере — предпосылка для заселения суши.

Экология: биология взаимодействия. 2.15. (дополнение) Венера, Земля, Марс

Мы можем только порадоваться тому, что, располагаясь между «окоченевшим» Марсом и «горячечной» Венерой, наша родная Земля предоставляет для жизни вполне подходящие условия.

Экология: биология взаимодействия. 2.16. (дополнение) Поиски жизни в Солнечной системе

Большинство современных усилий по поиску жизни основывается на представлении, что внеземная жизнь будет похожа на земную. Существует даже такое понятие — «водно-углеродный шовинизм» — представление, что инопланетная жизнь должна иметь ту же основу, что и земная. А если химическая основа жизни будет соответствовать земной, ее развитие пойдет так же, как на нашей планете, или как-то иначе? Если верно предположение о том, что многие ключевые этапы эволюции земной жизни проходились несколькими эволюционными ветвями одновременно, это может быть доказательством весьма закономерного характера эволюции.

Экология: биология взаимодействия. 2.17. (дополнение) Антропный парадокс

Изучая особенности отношений человечества со средой своего обитания, мы принимаем наше существование как состоявшийся факт. Могло ли быть иначе? Тем не менее, согласно современным взглядам, существование человечества, как и жизни на Земле вообще — результат соединения целого ряда благоприятных предрасположений.