Главная функция биосферы безусловно заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Все функции биосферы так или иначе предопределены деятельностью живого вещества в биосфере, которые в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям. В.И. Вернадским отмечал, что все без исключения геохимические фун­кции живого вещества в биосфере могут выполняться простейшими одноклеточными организмами. Однако одна форма жизни не может выполнять все геохимические функции. Именно поэтому, в ходе геологическо­го времени, происходила смена разных организмов, которые замещали друг друга в исполнении функции без изменения самой функции. Ученым было выделено девять биогеохимических функций биосферы:

Газовая (все газы атмосферы создаются и изменяются био­генным путем);

Кислородная (образование свободного кислорода);

Окислительная (окисление бедных кислородом соединений);

Кальциевая (выделение кальция в виде чистых солей);

Восстановительная (создание сульфидов металлов и серово­дорода);

Концентрационная (скопление элементов рассеянных в ок­ружающей среде);

Функция разрушения органических соединений (разложение с выделением воды, углекислого газа и азота);

Функция восстановительного разложения (образование серо­водорода, метана, водорода и т. п.);

Функция метаболизма и дыхания (поглощение кислорода и воды, выделение углекислого газа с миграцией органических элемен­тов).

Современная классификация несколько видоизменена - некоторые биогеохимические функции объединены, а часть переименована. Наиболее современной является классификация, предложенная А.В. Лапо, в которой выделены следующие функции: газовая; энергетическая; окислительно-восстановительная; концентрационная; деструктивная; транспортная; средообразующая; рассеивающая.

Газовая функция. Под газовой функцией понимается способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО 2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).

В ходе эволюции регуляция газового состава осуществлялась как в результате жизнедеятельности организмов и при разложении их остатков, так и при процессах метаморфизации и вулканизма. Выделяемый диоксид углерода живыми организмами и образующийся в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива) в ходе фотосинтеза СО 2 связывается наземными и водными растениями, с образованием кислорода. Так, например, зеленая масса насаждений на площади 1 га способна производить до 70 т кислорода за вегетационный период. Вернадский считал, что большинство газов, выделяемых при метаморфизме горных пород и извержении вулканов, по своему происхождению биогенны, т.к. являются преобразованными продуктами жизнедеятельности организмов.

Энергетическая функция . Эта функция определяется свойствами светочувствительного вещества - хлорофилла зеленых растений, благодаря которому растения способны улавливать, ассимилировать, трансформировать и аккумулировать солнечную энергию, преобразуя ее в энергию химических связей молекул органических веществ. Органические вещества, созданные зелеными растениями, служат источником энергии для представителей иных царств живых существ.

С энергетической точки зрения образова­ние живого вещества - это процесс поглощения солнечной энергии, которая в потенциальной форме аккумулируется в свободном кисло­роде и органических соединениях. Фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых. Наземная и водная растительность планеты способна аккумулировать в течение 1 года 31021 Ккал. энергии Солнца (примерно в 100 раз больше, чем вырабатывается во всем мире). Минерализация органических со­единений как внутри живых организмов, так и во внешней среде со­провождается освобождением энергии, поглощенной при фотосинтезе. Энергия освобождается не только в тепловой, но и химической форме, носителями которой служат природные воды: обогащаясь СО 2 , Н 2 S и другими продуктами минерализации, воды становятся химически вы­сокоактивными, преобразуя компоненты неживой природы. Бла­годаря автотрофам солнечная энергия не просто отражается от по­верхности Земли, а глубоко проникает вглубь земной коры.

Окислительно-восстановительная функция . Функция связана с интенсификацией под влиянием живого вещества таких процессов как окисление (благодаря обогащению среды кислородом), так и восстановление элементовс переменной валентностью, таких как азот, сера, железо, марганец и др., и прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море).

Микроорганизмы-восстановители гетеротрофны и используют в качестве источника энергии готовые органические вещества. К ним относятся, например,

Денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния;

- сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм серу до сероводорода (H 2 S).

Микроорганизмы-окислителимогут быть какавтотрофами,так игетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.

Геологические результаты деятельности этих организмов проявляются в образовании осадочных месторождений серы, образовании залежей сульфидов металлов, возникновение железных и железомарганцевых руд.

Концентрационная функция . Концентрационная функция есть накопление определенных веществ в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных - все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества.

Данная функция связана с избирательным поглоще­нием веществ из внешней среды. Это может быть концентрация в ион­ной форме из истинных растворов (так строят скелет морские беспо­звоночные) или из коллоидных растворов фильтрующими организма­ми. Организмы массами извлекают из ненасыщенных растворов угле­кислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и др. Водоросли концентрируют элементы, содержащиеся в среде в концентрациях не менее 10 мг/л, более энергично действуют бакте­рии. Животные потребляют их из живого вещества автотрофов, кон­центрация многих элементов в них выше, чем в автотрофах. Некото­рые элементы сильно концентрируются в продуктах выделения жи­вотных (например, содержание урана в гуано побережья Перу в 10 тыс. раз выше, чем в морской воде). Некоторые элементы концентрируются очень немногими организмами, но в значительных количествах, например редкий элемент ванадий входит в состав крови примитивных хордовых - асцидий, их культивируют в Японии. В Новой Зеландии нашли кустарник, в золе листьев которого содержится до 1% никеля.

Для оценки степени концентрации элементов живыми организ­мами применяют коэффициент биологического поглощения. Если раз­делить содержание элементов в золе наземных растений на их процент в почве, то полученные коэффициенты составят для кальция, натрия, калия магния, стронция, цинка, бора, селена единицы и десятки, а для фосфора, серы, хлора, йода и брома десятки и сотни.

У морских орга­низмов отношение содержания металлов на сухой вес к их содержа­нию в морской воде измеряется десятками и сотнями тысяч (для тита­на железа, марганца, никеля и кобальта), а иногда и превышают мил­лион (хром). В целом говорят о биофильности элементов биосферы: отношения их среднего содержания в живом веществе к содержанию данного элемента в литосфере. Наибольшей биофильностью характе­ризуется углерод, менее биофильны азот и водород.

Концентрация химических элементов живым веществом может проявляться в виде морфологически оформленных минеральных обра­зований и в виде органоминеральных соединений. Минеральные обра­зования являются продуктами секреции специальных желез, мине­ральный скелет живых организмов может быть карбонатный, фосфат­ный, сульфатный, образованный гидратами, гидроокисями и силика­тами. Скелет животных может быть внутренним и наружным. Мине­ральная составляющая высших растений представлена фитолитами - продуктами выделения в виде кристаллов или округлых включений, состоящих из кремнезема или щавелевокислого кальция. Некоторые многоклеточные водоросли предпочитают подпорки из карбоната кальция. У некоторых животных скелет может быть построен из двух минералов, а иногда в их теле представлен и какой-нибудь третий ми­нерал. Например, у некоторых моллюсков раковины сложены из ара­гонита и кальцита, а жевательный аппарат инкрустирован кристаллами гетита - гидрата окиси железа.

Наибольшее количество минералов образуют многоклеточные животные: моллюски (20 минералов) и позвоночные (17). Большинст­во минеральных образований плохо растворимо в морской воде и по­сле отмирания организмов накапливается в осадках. Органоминераль­ные образования быстро разлагаются и вновь включаются в биологи­ческий круговорот.

Рассеивающая функция – функция живого вещества противоположная по результатам концентрационной функции. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п.

Деструктивная функция . Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений определяет деструктивную функцию живого вещества. За счет жизнедеятельности огромного числа гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит гигантская в масштабах всей Земли, работа по разложению органических остатков. С учетом потребности в кислороде выделяют 2 основных типа процессов разложения: аэробное дыхание и анаэробное дыхание.

Аэробное дыхание – это процесс обратный "нормальному фотосинтезу". В этом процессе синтезированное органическое вещество {СН 2 O} n вновь разлагается с образованием СО 2 и H 2 О и с высвобождением энергии. Все высшие растения и животные и большинство микроорганизмов получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток именно с помощью этого процесса.

Анаэробное (бескислородное) дыхание служит основой жизнедеятельности главным образом у сапрофагов (бактерии, дрожжи, плесневые грибы, простейшие), хотя, как звено метаболизма, оно может встречаться и в некоторых тканях высших животных. Хороший пример облигатных анаэробов - метановые бактерии, которые разлагают органические соединения, образуя метан путем восстановления, либо органического углерода, либо углерода карбонатов. К общеизвестным организмам, использующим брожение, относятся дрожжи, в изобилии встречаются в почве, где играют ключевую роль в разложении растительных остатков.

Многие группы бактерий (например, факультативные анаэробы) способны и к аэробному и к анаэробному дыханию. Однако конечные продукты этих двух процессов различны, и количество высвобождающейся энергии при анаэробном дыхании значительно меньше. Итак, при деструкции органической массы протекают два параллельных процесса разложение органических соединений:

В конечном счете до углекислого газа, аммиака и воды в аэробных условиях, а

В анаэробных условиях еще и до водорода и углеводородов, что представляет собой процесс минерализации. Продукты минерализации вновь используются автотрофами.

Процесс разложения органических веществ, характерен для всех частей биосферы, где есть живые организмы. Часть органического вещества, попадая в условия, неблагоприятные для деятельности деструкторов, захоранивается и консервируется в составе осадочных пород, именно эта некоторая несбалансированность процессов синтеза и разложения органических веществ в биосфере определила кислородный режим современной воздушной оболочки Земли.

Однако процесс разложения имеет место не только для органического вещества, разлагается также и неорганическое вещество. Например, "сверлящие"’ цианобактерии и некоторые водоросли селятся на карбонатных породах, возвращая в биологический круговорот каль­ций, магний, фосфор. Коралловые рифы разгрызаются некоторыми рыбами и морскими ежами, которые поглощают карбонаты кальция, а извергают известковый ил. Алюмосиликаты разлагаются при химиче­ском воздействии: цианобактерии, бактерии, грибы, лишайники воз­действуют на горные породы растворами угольной, азотной, серной кислот (с концентрацией до 10%). Корни елей на бедных почвах также выделяют сильные кислоты. Химически разлагаются в биосфере као­лин, апатит и многие другие минералы. Разлагая минералы, организмы избирательно поглощают из них макро- и микроэлементы. Так, слоновая трава в африканских сава­нах извлекает с 1 га за год 250 кг кремния и 80 кг щелочных и щелоч­ноземельных элементов, а растительность джунглей - даже 8 т крем­ния.

Транспортная функция . Транспортная функция связана с переносом вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). Пищевые взаимодействия живого вещества приводят к перемещению огромных масс химических элементов и веществ как против сил тяжести, так и в горизонтальном направлении, в то время как не­живое вещество в биосфере перемещается только под действием силы тяже­сти, исключительно сверху вниз. Живое вещество – единственный (помимо поверхностного натяжения) фактор, обусловливающий обратное перемещение вещества – снизу вверх (например, растения перемещают растворы из подземных органов в надземные), против уклона местности, из океана – на континент, реализующий, восходящую ветвь биохимических циклов. В горизонтальном перемещении веществ главную роль играют птицы, крылатые насекомые, а также стаи морских рыб, поднимающихся на нерест вверх по рекам. Перенос вещества при этом сопоставим с дей­ствием смерчей и ураганов.

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована законом биогенной миграции атомов (А.И. Перельман предложил назвать «законом Вернадского»): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой преимущественно обусловлены живым веществом как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории» .

Средообразующая функция . Эта функция является в значительной мере результатом совместного действия других функций (интегративной). В конечном счете именно с ней связано преобразование живым веществом физико-химических параметров среды.

Эту функцию можно рассматривать как глобально - вся природная среда создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах, так и в более узком смысле. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв или в том, что леса регулируют поверхностный сток, увеличивая при этом влажность воздуха и обогащая атмосферу кислородом. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Известно, что в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Например, здесь меньше суточные и годовые колебания температур.

Наиболее очевидное проявление средообразующей функции- механическое воздействие, или второй род геологической деятельности живого. Многоклеточные животные, строя свои норы в грунте, сильно изменяют его свойства (при рыхле­нии червями объем воздуха увеличивается в 2,5 раза). Изменяют меха­нические свойства почвы и корни высших растений, скрепляют, пре­дохраняют от эрозии. Например лес способен удерживать почву на склоне 20-40°. Подобно дейст­вуют нитчатые цианобактерии, создающие подобие сети, которая за­щищает почву от эрозии (например в горных почвах Таджикистана содержится иногда более 100 м нитчатых цианобактерий в 1 г почвы - это уже не почва, а войлок).

К основным параметрам, характеризующим физико-химическое состояние среды, относится водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал. Биогенное вещество, образующееся после отмирания живого, попадая на дно водоемов, в болотные почвы, разлагается, и в условиях недостатка кислорода формируется резко восстановительная среда.

Основные газы атмосферы образуются биогенно: кислород и азот, кроме того, доказано, что 50% водорода возникает в результате деятельности живых организмов. Окись углерода также биогенна, в водах океана ее содержание в сотни раз превышает концентрацию, равновесную с атмосферой.

Через биогенное вещество меняется состав природных вод. Продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабобощелочной реакции, полыни и опад саксаула - щелочной, а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума - кислой.

В донных осадках физико-химическая обстановка опре­деляется наличием органического вещества: восстановительная созда­ется при разложении органики сульфатвосстанавливающими бакте­риями с образованием сероводорода (при наличии сульфатов). Если не удаляется сероводород идет самоотравление системы (сероводородная зона Черного моря).

Наибольшее средообразующее влияние оказывают микроорга­низмы, они изменяют среду в соответствии с потребностями. В силь­нокислой среде выделяют нейтральные продукты, в щелочной - ки­слоты. По мнению некоторых ученых, эволюция микроорганизмов шла по пути развития способности изменять среду.

Недавно установлено, что живое вещество изменяет не только химические, но и физические параметры среды, ее термические, элек­трические и механические характеристики. Например, в Черном и Белом морях обнаружен "биоэлектрический эффект": фитопланктон создает электрическое поле с отрицательным зарядом, а скопление отмершего планктона - с положительным зарядом.

Наука получает все новые данные о средообразующей роли жи­вого, при этом растения воздействуют на газовый состав атмосферы и ионный состав океанической воды, а животные почти не влияют на атмосферу, но изменяют катионный состав морской воды.

Благодаря способности аккумулировать солнечную энергию и преобразовывать ее в энергию химических связей органических веществ растений и другим свойствам, биосфера выполняет ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба, основными из которых являются энергетическая и средообразующая.

1. Энергетическая функция биосферы состоит в поглощении рассеянной лучистой солнечной энергии электромагнитной природы. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов. Биосфера способна изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. Почти 99% этой энергии поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, и только около 1% поглощается растениями в процессе фотосинтеза и превращается в концентрированную энергию химических связей органических веществ. Эта энергия передается остальным организмам по пищевым цепям.

Реакция фотосинтеза с использованием углекислого газа, воды в общем виде выражается уравнением

В процессе фотосинтеза, одновременно с накоплением органического вещества и продуцированием кислорода, растения поглощают часть солнечной энергии и удерживают ее в биосфере. Ежегодно растения нашей планеты связывают около 3 х 10 18 кДж солнечной энергии, что примерно в 10 раз больше той энергии, которая используется человеком.

Растения поедаются растительноядными животными, которые, в свою очередь, становятся жертвами хищников, и т. д. Этот последовательный и упорядоченный поток энергии является следствием энергетической функции живого вещества в биосфере.

2. Средообразующая функция. Биосфера - целостная система, в которой все элементы взаимосвязаны и взаимодействуют. В этой системе центральную роль играют живые организмы, которые генетически связаны и образуют все структурные элементы биосферы благодаря прошлой или настоящей их деятельности. Окружающая живые организмы физико-химическая среда изменена вследствие их функционирования до такой степени, что биохимические и абиотические процессы оказались неразделимы. В результате их взаимовлияния живые организмы преобразуют среду обитания и поддерживают ее в таком состоянии, которое обеспечивает их существование в глобальном круговороте биогенных химических элементов.

Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие биосферы при ограниченном запасе химических элементов. При прекращении регулирующего взаимодействия биоты физически неустойчивая окружающая среда быстро (примерно через 10 тыс. лет) перейдет в устойчивое состояние, где жизнь невозможна (как на Марсе или Венере).

Выполняя средообразующие функции, живые организмы контролируют состояние окружающей среды и выполняют следующие биохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную, деструктивную.

Газовая функция заключается в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций:

а) кислородно-углекислотная функция - создание основной массы свободного кислорода на планете в результате процесса фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями при солнечном свете. В результате фотосинтеза растительность зеленого мира ежегодно выделяет в атмосферу примерно 145 млрд т свободного кислорода и поглощает из атмосферы около 200 млрд т углекислого газа, при этом образуется более 100 млрд т органического вещества;

б) углекислотная функция - образование углекислого газа как следствие дыхания животных, растений, грибов и бактерий:

в) озоновая функция - образование озонового слоя из биогенного кислорода под действием короткого УФ-излучения:

Выполнение этой функции привело к образованию защитного озонового слоя, предохраняющего живые организмы от разрушительного действия солнечной радиации;

г) азотная функция - создание основной массы свободного азота тропосферы за счет выделения его азотденитрофи- цирующими бактериями при разложении органического вещества.

В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего углекислого газа, в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению кислорода в атмосфере, образованию озона и другим процессам.

С газовой функцией живого вещества связаны два переломных периода в развитии биосферы. Первый период относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного уровня. Это обусловило появление первых аэробных организмов, способных жить только в кислородсодержащей среде. С этого времени восстановительные процессы стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1,2 млрд лет назад.

Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10% от современного уровня. Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши. До этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой была возможна жизнь.

Вследствие выполнения живым веществом газовых функций в течение геологического развития Земли сложилась современная атмосфера с высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Сравнительная характеристика Марса, Венеры и Земли и гипотетической Земли без живого вещества

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрируют химические элементы и их соединения. В процессе эволюции живые организмы научились из разбавленных водных растворов извлекать необходимые им вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Окислительно-восстановительная функция живых организмов тесно связана с биогенной миграцией элементов и их концентрированием. Многие вещества в природе очень устойчивы и не окисляются при стандартных условиях. Например, атмосферный азот (N 2) является важнейшим биогенным элементом, входящим в состав биогенов ионов аммония NH 4 + и нитратов N0 3 _ . Но молекулярный азот не окисляется при обычных условиях: этот процесс осуществляют ферменты (катализаторы) некоторых живых организмов (нитрофицирующих бактерий). С помощью живого вещества осуществляется множество окислительно-восстановительных процессов во всех геосферах.

Так, окислительная функция проявляется в окислении с участием бактерий, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате восстановительной деятельности анаэробных микроорганизмов в заболоченных почвах, практически лишенных кислорода, образуются окисленные формы железа.

Деструктивная функция - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и веществ органической природы. Наиболее существенную роль в этом выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (детритофаги, редуценты). Конечной стадией деструктивной функции живого вещества биосферы является превращение мертвого органического вещества в неорганическое, в результате чего плодородие почвы увеличивается.

• 3. Транспортная функция - перенос вещества и энергии в результате движения живых организмов. Часто такой перенос осуществляется на громадное расстояние, например при перелете птиц.
• 4. Информационная функция. Живые организмы способны воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию и передавать ее последующим поколениям.
• 5. Рассеивающая функция - рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов, например рассеивание токсичных веществ, рассеивание веществ при выделении организмами экскрементов.

В результате выполнения перечисленных функций биота экосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды, т. е. результатом этих функций является вся природная среда.

Живые организмы постоянно рождаются и отмирают, в них протекают процессы обмена веществ. В отличие от неживой (косной) природы, биосфера представляет собой гигантский химический завод, превращающий огромные массы неорганического вещества в органическое. Это и есть самое важное свойство биосферы, являющейся существенной составной частью жизни Земли как планеты. Биосфера выступает энергетическим экраном между Землей и космосом и превращает значительную часть космической, в основном солнечной, энергии, поступающей на Землю, в низко- и высокомолекулярное органическое вещество.

Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически связаны с ней. Они являются огромной геологической силой, влияющей на функционирование биосферы. В результате обменных процессов изменяются не только сами организмы, но и окружающая их абиотическая среда.

Таким образом, биосферу можно также определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Известный российский биолог Н. В. Тимофеев-Ресовский говорил, что нормально работающая биосфера Земли не только снабжает человечество пищей и ценнейшим органическим сырьем, но и поддерживает в равновесном состоянии газовый состав атмосферы и растворы природных вод. Подрыв человеком (качественный и количественный) работы биосферы, следовательно, не только снизит продуцирование органического вещества на Земле, но и нарушит химическое равновесие в атмосфере и природных водах.

Познание законов биосферы и ее функциональных единиц (экосистем) имеет значение не только для характеристики ее современного состояния, но и для будущего нашей планеты, будущего человечества, так как уже сегодня поверхность Земли перестала быть только природным образованием. Человек своей деятельностью создает новую искусственную оболочку Земли - ноосферу.

Как отмечал В. И. Вернадский, биогеохимическая роль человека за последние столетия стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. При этом использование природных ресурсов происходит без учета закономерностей развития и функционирования биосферы.

Человек - первый обитатель Земли, который реально угрожает практически всем своим соседям по планете и даже самому существованию породившей его биосферы. Развитие человечества сопровождалось разрушением среды обитания организмов, изменением природных ландшафтов, нарастающей эксплуатацией биоресурсов.

Человек с древнейших времен добывал и использовал для своих нужд различные полезные ископаемые. По мере развития научно-технического прогресса все более увеличивались объемы добычи полезных ископаемых и росло число их видов. Если в античную эпоху человечеством добывалось и использовалось всего 19 элементов, то в начале XXI в. используются все 89 химических элементов, содержащихся в земной коре. Возросли и темпы добычи полезных ископаемых. Так, мировая добыча и потребление руд цветных металлов за последние 25 лет увеличились в несколько раз. Запасы большинства полезных ископаемых, находящихся в земной коре, ограничены и со временем могут полностью исчезнуть. Уменьшение запасов сырья уже сейчас заставляет человека искать замену тому или иному полезному ископаемому. Добыча полезных ископаемых при разработке месторождений, как правило, сопровождается гигантскими потерями природных площадей из-за несовершенства технологий добычи, стремления к снижению затрат и т. п. Но, главное, на месте разработки месторождений уничтожаются растения, животные, почва, т. е. нарушаются естественные экосистемы.

Человек начал использовать речные воды на заре цивилизации, когда появилось орошаемое земледелие. В настоящее время возводятся плотины и водохранилища для водоснабжения, орошения сельскохозяйственных угодий, получения электроэнергии, улучшения работы водного транспорта, рыборазведения. Все это нарушает устойчивость водных экосистем, приводит к их изменению, а иногда и гибели (например, экологическая катастрофа Аральского моря).

В настоящее время процесс деградации биосферы принял угрожающие масштабы, уменьшается биологическое разнообразие видов. Сегодня ежедневно исчезает по одному виду живых существ. К концу XX века тропические леса потеряли 15-20% фауны и флоры.

С начала XX в. и до настоящего времени количество энергии, затрачиваемой на единицу сельскохозяйственной продукции, в развитых странах выросло в 8-10 раз, на единицу промышленной продукции - в 10-12 раз, а так как объем производства тоже резко увеличился, то количество требуемой энергии за этот период возросло в сотни раз.

Однако это не может продолжаться до бесконечности, поскольку возникает угроза энергетического, а также теплового кризиса (т. е. перегрева приземной атмосферы в результате получения энергии в количестве, существенно превышающем естественное рассеивание тепла Земли). Но даже использование в будущем неисчерпаемых источников энергии, почти не добавляющих тепло в биосферу, не обеспечивает возможности безграничного развития материального производства, поскольку любое нарушение взаимосвязей в экосистемах означает нарушение энергетических потоков.

Так, в настоящее время человечеством вырабатывается примерно 0,02% той энергии, которая приходит к Земле с солнечными лучами, и лишь немногим меньше, чем поступает из глубины Земли. Это очень много.

В экологии существует правило 1%: изменение энергетики экосистемы более чем на 1% (а иногда и меньше) выводит ее из равновесия. Все мощнейшие геологические и климатические явления на Земле - извержение вулканов, тайфуны и циклоны - имеют суммарную энергию не более 1% энергии солнечного излучения, поступающего на поверхность планеты. Даже весь растительный покров Земли за год накапливает энергию, которая не превышает эту величину. Нарушение энергетики биосферы более чем на 1% может привести к резкому нарастанию энтропии биосферы и, следовательно, к ее гибели вследствие термодинамического кризиса. В настоящее время человечество уже приблизилось к этому пределу и дальнейшее развитие требует принципиальных изменений в природопользовании.

Человечество является частью биосферы и отличается от других компонентов биосферы тем, что оказывает на нее все большее влияние. По масштабам это влияние, особенно в последнее время, является самым значительным по сравнению со всеми известными факторами. Это так называемый антропогенный фактор. Иногда наряду с антропогенным фактором называют техногенный фактор - влияние на биосферу развития техники, различных технологий.

Известный американский эколог Б. Коммонер выдвинул ряд положений, которые в обобщенном виде характеризуют свойства и функции биосферы и которые он в шутливой форме называл “законами экологии”.

Первый закон (“Все связано со всем”) отражает сложнейшие сети взаимоотношений в биосфере. Этот закон предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части биосферы, что может привести к непредвиденным последствиям. Так, строительство гидроэлектростанций на равнине приводит к затоплению большого пространства (искусственное море). Это приводит к изменению не только естественного ландшафта, но и климата в данном и соседних регионах, а иногда и к гибели природных экосистем.

Второй закон (“Все должно куда-то деваться”) вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Этот закон позволяет по-новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные количества веществ, извлеченных из Земли, преобразованы в новые и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что “все куда-то должно деваться”. И как результат - горы веществ (мусора) там, где в природе их никогда не было и не должно быть.

Третий закон (“Природа знает лучше”) исходит из того, что структура современных живых организмов является наилучшей, поскольку были тщательно отобраны из неудачных вариантов в течение миллионов лет эволюции. Попытка создать новый вариант будет неудачной, т. е. этот вариант будет хуже существующего. Этот закон призывает к глубокому изучению природных экосистем и сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее улучшения.

Четвертый закон (“Ничто не дается даром”) объединяет предыдущие три закона, так как биосфера как глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно и поэтому она не может являться объектом всеобщего улучшения. Все, что было извлечено из нее человечеством, должно быть возмещено. Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Пятый закон (“На всех не хватит”) исходит из закона ограниченности ресурсов или “закона константности живого вещества” (В. И. Вернадский) - количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть величина постоянная. Поэтому значительное увеличение численности и массы каких-либо организмов в глобальном масштабе может происходить только за счет уменьшения численности и массы других организмов. “На всех не хватит” - источник всех форм конкуренции в природе и обществе.

Контрольные вопросы

• 1. Дайте определение биосферы. Совокупность каких факторов привела к образованию биосферы?
• 2. Какие факторы ограничивают распределение живых организмов в сферах Земли?
• 3. Дайте определение экосферы. Какова толщина биосферы и экосферы?
• 4. В течение какого периода проходила эволюция биосферы? Какие события были поворотными в эволюции биосферы?
• 5. Каковы состав и структура биосферы? Дайте определение живого, косного, биокосного и биогенного вещества. Приведите примеры.
• 6. Какими свойствами обладает биосфера?
• 7. Какие функции выполняет биосфера? Какие из них являются определяющими?
• 8. В чем сущность энергетической функции биосферы? Какие процессы лежат в основе этой функции?
• 9. За счет каких процессов поддерживается постоянный состав атмосферы?
• 10. Объясните тезис: биосфера - централизованная система. Что является центром биосферы и почему?
• 11. Сформулируйте и объясните основные законы экологии Б. Коммонера.
• 12. Дайте определение ноосферы. Перечислите основные признаки превращения биосферы в ноосферу.

Чтобы определить функции биосферы, надо, прежде всего, определить, что в этом случае следует понимать под функциями и в каком качестве рассматривать биосферу. Такой подход может сразу показаться неприемлемым, но до сих пор нет единого понимания. Начиная с выдающихся ученых и основателей теории и до настоящего времени, однозначного определения функций именно биосферы нет. Существуют различные перечни функции биосферы. Это и обеспечения круговорота химических элементов, и абстрактные, например, энергетическая, о которой говорится, что она обеспечивается за счет аккумулирования зелеными растениями солнечной энергии и совсем не объясняет в чем же суть такой функции. Некоторые сводят их к роли только живых организмов. А может быть, все следует объединить?

Что такое функция? Это обязанность, или работа, или роль, или предназначение чего-либо или кого-либо.

Что такое биосфера? Упрощенно, это место, где обитают все живое на Земле и находятся остатки их жизнедеятельности. Кроме того, оно преобразовывается этими организмами. Из такого определения можно сделать вывод, что ее функции пассивные, потому как она – это, во-первых, только место или область пребывания.

И во-вторых, подвергается стороннему воздействию, под которым вынужденно изменяется. Если рассматривать биосферу с такой точки зрения, то называемые функциями энергетическую, газовую, концентрационную, деструктивную и средообразующую, функциями как раз назвать и нельзя. Они являются либо деятельностью организмов, либо последствиями этой деятельности.

Например, аккумулирование солнечной энергии зелеными растениями в процессе фотосинтеза является «работой» растений, а не энергетической функцией биосферы. Распределение энергии между другими организмами следует отнести к пищевой цепи, но не места их обитания. Также обстоит дело и с другими «функциями».

Процесс миграции и превращения газов, что обеспечивает газовый состав биосферы. Извлечение и накопление организмами биогенных веществ из окружающей среды. Деятельность редуцентов по разложению мертвой органики и вовлечение ее элементов в биотический кругооборот. Трансформация химических параметров окружающей среды, то есть формирование условий для благоприятного существования жизни во всех слоях – атмосфере, гидросфере и литосфере. Все это деятельность живых существ и ее последствия, в том числе преобразующие место их существования. Но никак ни функции самого места.

Складывается впечатления, что функции биосферы и деятельность живых организмов одно и то же. Но они лишь часть биосферы. Небольшая по массе и очень важная, так как единственная наделена энергией, необходимой для синтеза и миграции химических элементов.

Единственной функцией биосферы, как «места», может быть то, что она является хранилищем веществ, не вовлеченных в биогенный оборот.

Система и цель

Рассмотрение биосферы только как места жительства, является не только неполным, но и тупиковым. Она имеет свои функции, потому что является глобальной экосистемой. И в таком качестве объединяет функции всех ее частей, которые являются одновременно и ее. Самыми главными функциями являются самоорганизация и саморегулирование, которые обеспечивают ей состояние динамического равновесия. Состояние равновесия является основным условием существования системы, иначе, под воздействием внешних факторов, система разбалансируется и прекратит свое существование.

Биосфера, как система, возникла с рождением первых живых организмов. По некоторым данным от 3,5 до 3,7 млрд. лет назад. По теории В.И. Вернадского, первые живые существа имели довольно значительное видовое разнообразие. Хотя, существует также мнение, что первый простейший был одного вида. Утверждают также, что все направлено на достижение одной цели – обеспечение существования жизни. Человек развил эту мысль. Биосфера необходима для обеспечения максимально комфортного его существования на Земле. Этим оправдывается его активное и неограниченное вмешательство в нее. Тот же В.И. Вернадский дал этому процессу определение – ноосфера.

Главную роль в обеспечении существования жизни на планете Земля играют живые организмы. Как говорил один известный персонаж: «Спасение утопающих – дело рук самих утопающих».

В.И. Вернадский утверждал, что живое вещество является одновременно и функцией биосферы и могучей биохимической силой Земли. Он выделял их девять. В настоящее время ученые выделяют шесть и одну итоговую или их объединяющую.

Оно представлено в первую очередь растительным миром, который составляет 90% его массы. Основной энергетический источник – солнечная энергия. Она используется зелеными растениями в процессе фотосинтеза для получения свободного кислорода, который является источником дыхания для остальных. Питание, дыхание, создание и распад органических веществ – это составные части постоянного круговорота химических веществ и энергии в природе.

Миграция основных химических элементов, таких как кислород, углерод, водород, азот, кальций и так далее проходит через живое вещество с разной скоростью. Например, весь, существующий на планете, кислород оборачивается за 2000 лет, а углекислый газ – за 300. Живое вещество обладает огромной свободной энергией, которая обеспечивает высокую скорость протекания в ней химических реакций. Концентрируется эта энергия в белковых соединениях, которые могут быть только в живых организмах. Существование живого вещества обеспечивается размножением и непрерывной сменой поколений, а также способностью к адаптации и эволюционным изменениям. Следующее поколение не является копией предыдущего, а является его измененной и «улучшенной» моделью.

Человек и другие составляющие системы

Человек, без сомнения, является частью биосферы. Однако его роль несколько отличаются от роли других ее частей. Представляя себя на высшей ступени развития, человек считает, что вся она существует только для его комфортной жизни. Он вмешивается в существование других, влияет и изменяет окружающую среду, эксплуатирует природные ресурсы и загрязняет природу продуктами своей жизнедеятельности. Оценив последствия влияния человека на природу трудно утверждать, что он единственный носитель разума на Земле. Скорее наоборот.

К функциям человека относят биогеохимическую его деятельность. Это биогенная миграция атомов усиленная хозяйственной деятельностью человека. Деятельность человека существенно отличается от деятельности любого живого организма. Человек не производит энергию, а ее потребляет. Его воздействие на окружающую среду не определяется его биомассой, а зависит от производственной деятельности. Если бы он взаимодействовал с природой обычным для остальных живых организмов способом, то популяция людей на Земле не превышала 100 тысяч человек.

Учение В.И. Вернадского о ноосфере, ставило человека разумного в центр биосферы. Теперь она должна была меняться не только под воздействием живых организмов и внешних факторов, но в соответствии с желаниями и целями человека. Думается, что не такие формы и методы преобразования биосферы человеком представлял себе великий ученый.

Рассматривать значение и роль только человека и живых организмов в системе биосферы несколько неправильно и неполно. Нельзя оставить в стороне косное вещество как хранителя запасов химических элементов или соединения в состоянии радиоактивного распада. Недостаточно изучено влияние космических тел и приносимых ими на Землю инородных веществ.

Видео — Человек и биосфера

Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.

Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:

Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера. 1

В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.

Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.

Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рис. 1. Область распространения организмов в биосфере: 1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:

1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;

2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;

3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;

4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.

Благодаря биоте биосферы осуществляется преобладающая часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И. Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 10 3 до 10 5) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только пропустили, но и в соответствии со своими потребностями видоизменили земную среду.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты и в формировании газового состава современной атмосферы. Растения строго контролируют концентрации О 2 и СО 2 , оптимальные для совокупности всех современных живых организмов.

Концентрационная функция. Пропускаячерез своётело большие объёмы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию (движение химических веществ) и концентрирование химических элементов и их соединений. Это относится к биосинтезу органики, образование коралловых островов, строительство раковин и скелетов, появление толщ осадочных известняков, месторождений, некоторых металлических руд, скопление некоторых железно – марганцевых конкреций, на дне океана т. д. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своём теле.

Окислительно – восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях, например, молекулярный азот – один из важнейших биогенных элементов. Но живые клетки располагают настолько мощными катализаторами – ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может проходить в абиотической среде.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мёртвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путём соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором. Суммарный запас генетической информации биоты оценивается в 10 15 бит. Общая мощность потока молекулярной информации, связанной с обменом веществ и энергии во всех клетках глобальной биоты. Достигает 10 36 бит/с (Горшков и др., 1996).

Составляющие биологического круговорота. Биологический круговорот осуществляется между всеми составляющими биосферы (т. е. между почвой, воздухом, водой, животными, микроорганизмами и т.д.). Он происходит при обязательном участии живых организмов.

Достигающее биосферы солнечное излучение несёт в себе энергию около 2,5*10 24 Дж в год. Только 0,3% её непосредственно преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ, т.е. вовлекается в биологический круговорот. А 0,1 – 0,2 % солнечной энергии, падающей на Землю, оказывается заключённой в чистой первичной продукции. Дальнейшая судьба этой энергии связана с передачей органического вещества пищи по каскадам трофических цепей.

Биологический круговорот условно можно разделить на взаимосвязанные составляющие: круговорот веществ и энергетический круговорот.