ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

Биосфера – живая оболочка Земли. Этот термин и его понятие предложил в 1875 году австрийский ученый Э. Зюсс. Учение же о биосфере в его современном понимании было разработано нашим отечественным ученым В. И. Вернадским. Согласно В. И. Вернадскому, биосфера – это такая оболочка, в которой существует или существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась или подвергается воздействиям живых организмов. В. И. Вернадский отмечал, что биосфера является термодинамической оболочкой с температурой от +50 ⁰С до 50 ⁰С и давлением около одной атмосферы.

На планете Земля различают несколько геосфер: литосферу, гидросферу, атмосферу, которая включает в себя тропосферу, стратосферу и ионосферу. Верхняя граница биосферы проходит примерно на высоте 20 км над уровнем моря, т. е. живые организмы расселены в тропосфере и нижних слоях стратосферы. Ограничивающим фактором в этой сфере является нарастающая с высотой ультрафиолетовая радиация. В гидросфере граница достигает глубины свыше 10 км; в литосферу, где предел жизни ограничивается высокой температурой и определяется уровнем проникновения воды в жидком состоянии, живые организмы проникают до глубины 7,5 км.

Литосфера – твердая поверхность Земли до 4-5 км, ниже лежат осадочные породы, а под ними – переплавленные породы гранитной оболочки. Основная масса организмов сосредоточена в почве, глубина которой не превышает нескольких метров. Исходным материалом для почвообразования служат поверхностные слои горных пород. Из них под воздействием растений, животных и микроорганизмов формируется почвенный покров. После отмирания растений и животных микроорганизмы разлагают их до микроэлементов, которые накапливаются в почве. Таким образом, почва имеет биогенное происхождение и состоит из неорганических и органических веществ и живых организмов.

Гидросфера. Вода является необходимой составной частью всех компонентов биосферы. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане. Химический состав вод формируется под воздействием организмов. Например, количество кислорода и углекислого газа в океанических водах изменяется в широких диапазонах и зависит от температуры и присутствия живых существ. Вода, разрушая горные породы и вымывая из них ряд веществ, с речным током приносит их в океан. В пресных и морских водах многие организмы концентрируют эти вещества.

Атмосфера. Эта оболочка состоит в основном из азота и кислорода, в меньшей концентрации находится углекислый газ и озон. Наибольшее значение для биологических процессов имеют именно эти газы: кислород необходим для дыхания и минерализации отмерших органических веществ; углекислый газ расходуется при фотосинтезе; озон создает защитный экран от ультрафиолетовых лучей Солнца. Биосфера включает в себя: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество, образованное в процессе жизнедеятельности организмов (газы, каменный уголь, нефть, известняки, сланцы); 3) косное вещество, которое образуется без участия живых организмов (метеориты, продукты тектонической деятельности); 4) биокосное вещество – результат совместной деятельности живых организмов и абиотических факторов, а также «абиогенных процессов» (почва).

Живое вещество – это совокупность всех живых организмов биосферы. Количественное выражение живого вещества – биомасса. Распределение биомассы на Земле зависит от природноклиматических условий, скорости размножения живых организмов. На суше от полюсов к экватору биомасса постепенно увеличивается. Суммарная биомасса сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями и лишь на 0,8% – животными и микроорганизмами. Биомассу почвы составляют корни растений, микроорганизмы, насекомые и их личинки. Биомасса агроценозов меньше, чем биогеоценозов, т. к. часть ее ежегодно забирает человек.

Мировой океан занимает около 75% поверхности планеты, однако биомассы в нем в 1000 раз меньше, чем на суше, причем, на долю животных приходится 93,7%, а на долю растений – 6,З%.

В биомассе Мирового океана различают планктон (взвешенные организмы, переносимые течением – водоросли, простейшие, беспозвоночные), нектон (активно плавающие организмы – рыбы, змеи, киты и др.) и бентос (организмы, обитающие на грунте и в грунте – губки, кораллы, растения).

Живое вещество обеспечивает круговорот веществ в природе, обуславливая тем самым развитие жизни.

Круговорот веществ в природе – это процессы превращения и перемещения воды, газов и химических элементов, носящие циклический характер. Он основан на жизнедеятельности организмов, создающих и разрушающих биомассу Земли.

Первичными производителями биомассы являются зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза создают первичную органическую продукцию. Растительноядные животные превращают ее в животную (вторичную органическую продукцию), а она, в свою очередь, разрушается бактериями и грибами до минеральных веществ.

При круговороте веществ в природе продукты жизнедеятельности одних видов преобразуются другими видами. Так, растения используют углекислый газ, который выделяется при дыхании, а в процессе фотосинтеза выделяется кислород, идущий на дыхание аэробам. Отходы жизнедеятельности и трупы служат пищей для огромной армии грибов и бактерий.

Таким образом, в биосфере постоянно происходит круговорот элементов из неживой природы в живую и обратно, и этот процесс получил название биогенной миграции атомов. В качестве примера можно проследить биогенную миграцию азота, кислорода и углерода в биосфере.

Азот – обязательный компонент белков. В воздухе атмосферы его около 79%, но в свободном состоянии он не усваивается ни растениями, ни животными. Лишь азотфиксирующие бактерии переводят его в органические соединения. Кроме того, незначительная часть его под действием электрических разрядов может переходить в азотистую или азотную кислоту. Они поступают в почву и образуют соли. В связанном состоянии азот усваивается растениями, которые синтезируют растительные белки. Последние употребляются животными и человеком. В их организме белки расщепляются до аминокислот и мочевины. Мочевина выводится с мочой во внешнюю среду.

При гниении растений и трупов животных образуется аммиак. Хемосинтезирующие бактерии переводят аммиак в соли азотистой и азотной кислот, которые вновь усваиваются растениями. Денитрофицирующие бактерии разлагают аммиак до свободного азота, который поступает в атмосферу. Так замыкается круговорот азота.

Кислород – образовался около 2 млрд лет тому назад благодаря фотосинтезирующим организмам. Его содержание в атмосфере около 21% поддерживается за счет фотосинтеза. Свободный кислород используют при дыхании аэробы. Он идет на окисление органических веществ, в результате образуется конечный продукт – углекислый газ. В его составе кислород возвращается в атмосферу. Круговорот кислорода обеспечивает круговорот всех биогенных элементов, т. к. высвобождение энергии из органических и неорганических соединений сопровождается расщеплением их в ходе окислительных реакций.

Углерод содержится в атмосферном воздухе в виде углекислого газа, которого приблизительно 0,03%. Он поглощается растениями при фотосинтезе, при этом образуются органические вещества. Растения поедаются растительноядными животными, и у них углерод проходит в составе органических соединений по цепи обменных процессов. Часть его накапливается в организме, часть выбрасывается с продуктами жизнедеятельности, часть в составе углекислого газа выводится из организма при дыхании. Погибшие растения и животные подвергаются воздействию микроорганизмов, и углеродосодержащие вещества разлагаются до углекислого газа, который возвращается в атмосферу.

Обмен энергии. Одновременно с обменом веществ происходит обмен энергии. Биосфера – открытая система, в нее постоянно вливается поток солнечной энергии. Она аккумулируется зелеными растениями в виде энергии химических связей. Часть этой энергии расходуется растением на свои нужды, часть – передается травоядным животным, где также частично используется для внутренних потребностей, а часть передается плотоядным животным. Эта энергия или запасается в тканях, или превращается в тепловую и рассеивается.

Наряду с накоплением энергии в живых организмах на Земле происходит почти равное по масштабу образование органических веществ в процессе дыхания, брожения и гниения, сопровождающееся выделением энергии. Частично солнечная энергия, накопленная растениями и животными, сохраняется в земной коре в виде каменного угля, нефти, торфа, газа.

Таким образом, постоянно совершающийся процесс перехода химических элементов из одних соединений в другие, из состава земной коры в живые организмы, последующее их расщепление на неорганические соединения и снова переход элементов в состав земной коры представляют собой непрерывный круговорот веществ и энергии в биосфере.

В процессе круговорота веществ живое вещество выполняет следующие функции: 1) газовую; 2) концентрационную; 3) окислительно-восстановительную; 4) биохимическую.

Газовая функция состоит в газообмене при фотосинтезе (у растений) и при дыхании (у животных), а также при восстановлении азота, сероводорода и других газов.

Концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении живым веществом химических элементов – Н, С, N, О, Nа, К, Мg, Мn, Аl, Р и других.

Окислительно-восстановительная функция сводится к окислению и восстановлению веществ в живых организмах и образованию солей, оксидов и других соединений.

Биохимическая функция заключается в совокупности обменных реакций, обеспечивающих жизнедеятельность организма (размножение, рост, развитие, движение, обмен и т. д.).

Эволюция биосферы. На протяжении значительного времени существования нашей планеты основными факторами, влияющими на эволюцию биосферы, были геологические и климатические процессы. С ними связана эволюция живых организмов.

Первые живые одноклеточные организмы – прокариоты – появились в архейскую эру. Ими были анаэробы, получавшие энергию путем брожения. В качестве пищи они использовали органические вещества абиогенного происхождения.

Появление аутотрофных организмов, особенно зеленых растений, обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ благодаря использованию солнечной энергии. Так появились возможности для дальнейшего развития и усложнения форм жизни.

С возникновением фотосинтеза произошло разделение органического мира на два ствола, отличающихся по способу питания. Благодаря появлению аутотрофных фотосинтезирующих растений вода и атмосфера стали обогащаться свободным кислородом. Появились первые аэробы, способные к более эффективному использованию энергии в процессе жизнедеятельности. Среди них появились многоклеточные.

Накопление кислорода в атмосфере привело к образованию в верхних ее слоях озонового слоя, не пропускающего губительных для жизни ультрафиолетовых лучей. Это подготовило возможность выхода на сушу сначала одноклеточных, а затем и многоклеточных организмов, что произошло в кембрийском периоде.

Появление фотосинтезирующих растений обеспечило возможность существования и прогрессивного развития и гетеротрофных организмов. Жизнь заполнила разные среды обитания.

С возникновением человека в истории биосферы появился новый мощный фактор, равный по своему воздействию грандиозным геологическим процессам.

В. И. Вернадский пришел к заключению, что человечество образовало новую оболочку Земли – ноосферу, т. е. сферу разумной жизни.

РАЗДЕЛ II

CИСТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА

Все живые организмы на Земле объединены систематиками в две империи: неклеточные организмы и клеточные организмы. Империя неклеточные организмов включает в себя единственное царство – Вирусы. Империю клеточные организмы делят на две подимперии: доядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты).

В подимперии прокариоты выделяют два царства: архебактерии и эубактерии (настоящие бактерии).

ПОДИМПЕРИЯ ДОЯДЕРНЫЕ ОРГАНИЗМЫ.

ЦАРСТВО НАСТОЯЩИЕ БАКТЕРИИ

Эубактерии возникли около 3,5 млрд лет тому назад. Это микроскопически мелкие организмы, обладающие клеточным строением. Размеры их от 0,1 до 10 мкм, т. е. видны только под микроскопом.

Среда обитания бактерий: вода, воздух, почва, лед, организмы растений, животных и человека. Бактерии обнаружены в горячих источниках с температурой выше 78 ⁰С; около глубоководных вулканических кратеров – при температуре около 360 ⁰С и высоком давлении. Разнообразные бактерии обнаружены в Антарктиде в образцах пород и льда, взятых с глубины более 430 м. При температуре от -77 ⁰С до -14 ⁰С они пребывают в состоянии покоя, но при повышении температуры становятся активными. Некоторые бактерии способны жить и размножаться в щелочной среде при рН=11.5. Однако большинство бактерий не выживают в кислой среде, вот почему уксусная кислота хорошо защищает пищу от бактериального заражения.

Некоторые бактерии являются облигатными (обязательными) анаэробами, т.е. живут только в бескислородной среде. Другие – факультативные (необязательные) анаэробы – могут существовать без кислорода, но лучше развиваться в его присутствии. Есть бактерии – аэробы.

Строение бактерий. По форме бывают бактерии шаровидные (кокки), палочковидные (бациллы) и спиралевидные. Спиралевидные формы делятся на вибрионы (в виде запятой) и спириллы (в виде спирали).

Некоторые бактерии способны соединяться в цепочки, группы, скопления. Например, кокки, соединясь по две, образуют диплококки, цепочками – стрептококки, в виде грозди винограда – стафилококки. Палочковидные бактерии имеют форму цилиндра (трубочки) с заостренными или закругленными концами (рис. 21).

Бактерии могут быть бесцветными или окрашенными. Окраска их обусловлена пигментами: желтыми и красными каратиноидами, фикоцианином (синий цвет), фикоэритрином (красный цвет), хлорофиллом (зеленый цвет).

Тело бактерий, как и у любой клетки, представлено цитоплазмой, окруженной мембраной. Мембрана полупроницаема и снаружи покрыта клеточной стенкой, которая придает форму бактериям и выполняет защитную функцию.

Матрикс бактериальных оболочек состоит из дисахаридов, связанных короткими цепочками аминокислот. У некоторых видов бактерий этот слой окружают липосахариды. У ряда бактерий в оболочке обнаружен полисахарид муреин, образующий особый слой переплетенных нитей, называемый гликокаликсом. За счет этого слоя бактериальные клетки способны к адгезии (прилипанию) к различным субстратам, что играет ключевую роль в процессе распространения бактериальной инфекции. Так, благодаря ферментативным реакциям, протекающим в гликокаликсе, некоторые бактерии могут поселяться на неповрежденной зубной эмали.

У ряда бактерий клеточная оболочка покрыта желатинообразной капсулой, которая формируется самой клеткой и выполняет защитную функцию.

Некоторые бактерии имеют тонкие длинные прочные спиралевидные жгутики. Их может быть один или несколько. Они могут равномерно распределяться по всей поверхности бактериальной клетки или прикрепляться к одному или обоим концам. Каждый жгутик состоит из одной молекулы белка-флагеллина. Совершая вращательные движения, жгутики способствуют перемещению бактерий путем «пробежек» и «кувырканий». У нитчатых цианобактерий и у бактерий, лишенных жгутиков, перемещение может происходить путем скольжения.

В цитоплазме бактерий обнаружено большое количество рибосом, мезосомы, гранулярные включения и, как правило, два участка, где концентрируется ДНК. В каждом участке находится одна молекула кольцевой двухцепочечной ДНК. У бактерий нет сформированного ядра и мембранных органелл (рис. 22).

Несмотря на простоту строения, бактерии реагируют на определенные раздражители движением в сторону раздражителя или от него (положительный или отрицательный таксис). Подвижные бактерии способны перемещаться к химическим агентам (хемотаксис), обладая специфической чувствительностью к различным питательным веществам, например, сахарам. У ряда бактерий описаны фототаксисы, аэротаксисы, магнитотаксисы.

По способу питания бактерии делят на автотрофов и гетеротрофов. Гетеротрофы не способны синтезировать органические соединения из простых неорганических, а должны получать их в готовом виде. Самая большая группа гетеротрофных бактерий – это сапрофиты (сапробионты). Они питаются «мертвым» органическим материалом и ответственны за разложение и кругооборот органического вещества в почве. Автотрофные бактерии делят на две группы: фотосинтезирующие и хемосинтезирующие. К группе фотосинтезирующих бактерий относят цианобактерии, зеленые серобактерии, пурпурные серобактерии. Подобно растениям, они содержат хлорофилл и могут использовать энергию солнца для первичного синтеза. Фотосинтез у цианобактерий сходен с процессами фотосинтеза у эукариот. Фотосинтезирующие серные бактерии нуждаются в сероводороде или других соединениях серы, поэтому обитают в среде, содержащей большое количество разлагающегося органического материала со специфическим запахом серы.

Хемосинтезирующие бактерии получают энергию, необходимую для синтетических реакций, путем окисления неорганических веществ (азота, серы, соединений железа).

Основной способ размножения бактерий – бесполый (амитотическое деление надвое). При благоприятных условиях оно происходит каждые 25-30 минут. Во время деления плазматическая мембрана и клеточная оболочка впячиваются, в конце концов перешнуровывая клетку пополам. Возможно и половое размножение – конъюгация. Происходит сближение двух клеток и образование между ними цитоплазматического мостика, по которому осуществляется обмен частью ДНК. Затем цитоплазматический мостик разрушается и клетки расходятся. Количественного увеличения клеток не происходит, но в каждой бактерии обновляется наследственный материал, что повышает их приспособленность к условиям среды. Половой процесс у бактерий происходит обычно при неблагоприятных условиях и чередуется с бесполым способом.

Некоторые бактерии образуют эндоспоры, т.е. споры внутри клетки. Это толстостенные образования, устойчивые к высоким и низким температурам, коротковолновым излучениям. Они по-разному располагаются в различных бактериальных клетках и служат поэтому систематическим признакам. Если такая устойчивая структура образуется из целой клетки, то ее называют цистой. Стойкие споры цианобактерий называют акинетами. Они принципиально отличаются от эндоспор тем, что представляют собой увеличенные вегетативные клетки, вокруг которых сформировалась плотная оболочка. Споры и цисты помогают бактериям пережить неблагоприятные условия, сохранить вид. Они могут прорасти (перейти в вегетативную форму) через десятки и даже сотни лет.

Особое место среди бактерий занимает группа цианобактерий, которую раньше относили к сине-зеленым водорослям. Цианобактерии образуют нити длиной до одного метра и более и способны нарастить большую биомассу. Некоторые из них являются одноклеточными, и очень немногие образуют округлые колонии. Подобно другим нитчатым и колониальным формам бактерий, цианобактерии прикрепляются друг к другу только оболочками или желатиноподобными капсулами, поэтому каждая клетка ведет самостоятельную жизнь.

Цианобактерии, обитающие в поверхностном слое пресных и морских водоемов, образуют сообщества микроскопических организмов, называемых планктоном. Как правило, эти микроорганизмы имеют прозрачные, неправильной формы структуры – газовые вакуоли. Эти вакуоли регулируют плавучесть организмов и позволяют им оставаться в толще воды. Когда цианобактерии теряют способность регулировать свою плотность, например, при резких перепадах температуры или нарушениях кислородного обмена, они всплывают на поверхность и вызывают «цветение» воды. При этом некоторые цианобактерии выделяют химические вещества, токсичные для других организмов и приводящие к их массовой гибели. Многие цианобактерии могут фиксировать атмосферный азот или образуют слоистые меловые структуры – строматолиты.

Значение бактерий.

Полезное – участвуют в круговороте веществ в природе, в образовании гумуса, используются в очистке сточных вод, переваривают клетчатку в кишечнике травоядных животных; участвуют в образовании витамина К в кишечнике человека; используются в промышленности при получении масла, сыра, уксуса, спирта, силоса, антибиотиков, кормовых белков, ферментов; являются объектами научных исследований.

Вредное – портят пищевые продукты, нанося экономический урон; вызывают заболевания у растений, животных и человека.

Подсчитано, что бактериальные болезни растений (ожог, мягкая гниль, увядание и др.) приводят к потерям 1/8 части урожая всех культурных растений земного шара.

У людей выявлено большое число заболеваний, вызываемых бактериями. Возбудители одних болезней передаются воздушно-капельным путем (пневмонии, коклюша, дифтерии, скарлатины, туберкулеза), других – через пищу и воду (брюшного тифа, дизентерии и др.)