Границы и структура биосферы

По современным представлениям, биосфера (греч. bios - жизнь, sphaira — шар, сфера) - это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает приземистую часть атмосферы, гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы. Живые организмы обитают в биосфере как в среде жизни, и участвуют в ней как средообразователи. Жителем биосферы и ее активным компонентом является человек. Биосфера - глобальная экосистема, способная к саморегуляции, что обеспечивается живыми организмами.

Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле растений, которые в процессе фотосинтеза синтезируют органические вещества из СО2 и Н2О под действием солнечного света. Именно благодаря растениям на Земле получили развитие различные виды животных, и осуществляется обмен веществом и энергией между живой и неживой природой.

Границы биосферы в большей степени условны. Лимитирующим фактором проникновения жизни в верхние слои атмосферы служит наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли. На больших высотах в горах (около 6 км) расположена высотная часть биосферы – эоловая зона. Здесь уже невозможна жизнь растений, это царство микроорганизмов и членистоногих. Выше эоловой зоны жизнь протекает случайно и не часто. Здесь организмы могут временно существовать, но не могут нормально жить и размножаться. Еще одним лимитирующим фактором проникновения жизни вверх является космическое излучение (губительно для живых организмов). Поэтому, вверх в атмосферу, биосфера простирается не выше озонового экрана, что составляет 22-24 км.

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются и на глубине более 11 км. Нижняя граница жизни в литосфере не опускается обычно глубже 3-4 км на суше, и не более 1-2 км ниже дна океана.

Таким образом, верхняя граница биосферы проходит в атмосфере на высоте до 30 км (до озонового экрана), нижняя – на суше, на глубине до 4 км (максимум 6-7 км) от поверхности земной коры, в Мировом океане - до дна самых глубоких впадин (самая глубокая впадина (11022 м) – Марианская) (рис 3. 1.).

Рис. 3.1. Границы биосферы.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни. Именно в таком смысле этот термин впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 - 1914). К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы. Однако задолго до этого другие естествоиспытатели употреблялись такие названия как: "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и др.

Важнейший вклад в исследование биосферы внесли исследования академика В. И. Вернадского (1863-1945), который использовал предложенный Зюссом термин и создал в 1926 году науку с аналогичным названием - Учение о биосфере. Если, по Зюссу, «биосфера» - это пространство земной поверхности, характеризующееся жизнью, то по В. И. Вернадскому, живым организмам отводится роль главнейшей геохимической силы. При этом в понятие биосферы включается преобразую­щая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. Таким образом, по Вернадскому, биосфера – это пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам (белым биосферам). К последним относят: залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев, известь, мел, соединения кремния, рудные образования и др.

Свое учение о биосфере В. И. Вернадский строил на идеях М. В. Ломоносова и В. В. Докучаева. М. В. Ломоносов придавал огромное значение органическому миру в развитии жизни на нашей планете, объясняя деятельностью организмов происхождение торфа, каменных углей, янтаря, нефти и др. Поэтому понятие о биосфере у Вернадского пронизано идеей взаимодействия земных и космических тел и явлений. Будучи учеником В. В. Докучаева, Вернадский еще в студенческие годы стал последователем его идеи о синтезировании знаний частных наук для комплексного изучения земной поверхности.

Учение В. И. Вернадского о биосфере (1926 г.), которое является крупнейшим из обобщений в области естествознания в 20 веке, произвело переворот во взглядах на глобальные природные явления, в том числе на геологические процессы, причины явлений, их эволюцию. Биосфера - закономерный продукт эволюции Земли, а вместе с тем главнейшая арена жизни и хозяйственной деятельности человека. В своем глобальном проявлении биосфера выступает как гигантский аккумулятор и трансформатор энергии Солнца. Жизнь на Земле определяется Солнцем. Зеленые растения, поглощая из окружающей среды энергию Солнца, накапливают ее, обеспечивают существование всего гетеротрофного населения планеты и глобальный биологический круговорот веществ, осуществляющий взаимоотношение живого вещества с окружающей средой и обусловливающий непрерывность жизни на нашей планете. Таким образом, Вернадский показал первостепенную преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов образования и разрушения геологических структур, круговорота веществ, изменения твердой (литосферы), водной (гидросферы) и воздушной (атмосферы) оболочек Земли.

По представлениям В. И. Вернадского биосфера включает: живое вещество - все живые организмы; биогенное вещество - преобразованные живые организмы (уголь, известняк, торф и др.); косное вещество - в его образовании живое не участвует (горные породы, минералы и др.), биокосное – косное вещество, созданное при участии живых организмов (почва, вода, илы), радиоактивное вещество, вещество рассеянных атомов, вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль и др.). Все семь типов веществ геологически связаны между собой.

Живое вещество планеты

Как было уже сказано выше, исключительную роль в преобразовании облика планеты В. И. Вернадский отводил «живому веществу» биосферы. Его он считал основой биосферы, хотя оно составляет крайне незначительную ее часть (если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см). К тому же живое вещество распространено в биосфере неравномерно (пространства, густо заселенные организмами, чередуются с менее заселенными территориями). Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек – атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

В настоящее время по видовому составу на земле преобладают животные (более 2 млн. видов) над растениями (0,5 млн. видов). В то же время, запасы фитомассы составляют 90 % запасов живой биомассы. Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает биомассу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличивается от полюсов к экватору.

Суммарный результат деятельности «живого вещества» за геологический период времени огромен. По словам В. И. Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Связано это с тем, что живые организмы, благо­даря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления (в промышленных условиях процесс связывание атмосферного азота до аммиака потребует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер). Кроме того, живое вещество, чрезвычайно активизированная материя (в живых организмах, на несколько порядков, увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ).

Средообразующие свойства живого вещества

1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Данное свойство дало основание В. И. Вернадскому сделать вывод о том, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела, или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится к корневым системам.

2. Способность двигаться. Живым организмам свойственно как пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т. п.), так и активное движение. Например, движение против: течения воды, силы тяжести, воздушных потоков и т. п.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям. Благодаря этому свойству живые организмы освоили не только все среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная), но и способны существовать в крайне трудных, по физико-химическим параметрам условиям. Например, при очень низких (- 273°С) и очень высоких температурах (до 140°С), в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т. п.).

5. Феноменально высокая скорость протекания реакций (она в сотни, тысячи раз значительнее, чем в неживом веществе). Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. Нескольких метров может достигать слой донных отложений океана, состоящий из продуктов жизнедеятельности кольчатых червей (полихет). Практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95-99% переработаны живыми организмами.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши -14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон) - 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В. И. Вернадского, «ушла в геологию»).

Все перечисленные свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. Согласно В. И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов.

Средообразующие функции живого вещества

В. И. Вернадский, оценивая деятельность живых организмов в биосфере, выделял пять основополагающих функций живого вещества: газовая, концентрационная, окислительно-восстановительная, биохимическая, и биогеохимическая. Характеризуя эти функции, Вернадский подчеркивает особую значимость последней. Он пишет: «В отличие от первых трех групп, четвертая группа – биохимические функции – резко отличается тем, что центр ее действия находится не во внешней среде… а внутри организмов… внутри тел живого вещества, связан с их жизнью и смертью».

Идея о функциях живого вещества, сформулированная В.И. Вернадским, нашла большой отклик в трудах современных экологов. В связи с этим перечень основных функций живого вещества значительно расширился.

Функции живого вещества в биосфере

(по Е. И. Шиловой, Т. А. Банкиной, 1994, с дополнениями)

1. Энергетическая. Эта функция связана с поглощением и запасанием солнечной энергии в процессе фотосинтеза, и последующей передачей ее по цепям питания, и разложения.

2. Геохимическая. Проявляется эта функция в способности вовлекать химические элементы Земли в живые организмы и возвращать их путем биогенной миграции снова в среду. Одним из проявлений этой функции является создание осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.

3. Концентрационная. Эта функция выражается в способности организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз).

В. И. Вернадский различал:

1) концентрационные функции 1 рода, когда живым веществом из окружающей среды концентрируются те химические элементы, которые содержатся во всех без исключения живых организмах (Н, С, N, J, Na, Mg, Al и др).

2) концентрационные функции 2 рода, когда наблюдается накопление химических элементов, которые в живых организмах не встречаются или могут встречаться в очень малых количествах (например, ламинария накапливает в себе йод; дождевые черви могут накапливать цинк, медь, и кадмий).

Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия.

4. Рассеивающая. Данная функция проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов и т. п.

5. Газовая. В целом функция проявляется в способности живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом через создание свободного кислорода, выделение свободного азота (при разложении живого вещества), выделение углекислого газа и др. С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода в развитии биосферы. Первый 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 связывают со временем, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла примерно 10% от современной. 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.

6. Деструктивная. Выражается данная функция в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).

7. Средообразующая. Эта функция является результатом совместного действия других функций, т.е. в значительной мере интегративна. С ней связано преобразование физико-химических параметров среды и создание среды, благоприятной для жизни. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. Средообразующая функция живого вещества проявилась, например, в образовании почв. Локальная средообразующая деятельность живых организмов, и особенно их сообществ, проявляется в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это, прежде всего, относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в припочвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы).

8. Транспортная. Данная функция выполняется благодаря способности живых организмов к активному движению. В результате чего осуществляется перенос веществ и энергии. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях животных.

9. Историческая. Эта функция отражается в эволюционном развитии жизни, эволюции организмов, экосистем и биосферы.

10. Окислительно-восстановительная. Эта функция осуществляется благодаря способности живого вещества интенсифицировать процессы окисления и восстановления. 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). В настоящее время благодаря деятельности человека данный процесс прогрессирует.

11. Информационная. Проявляется эта функция в том, что живые организмы способны накапливать и закреплять определенную информацию в наследственных структурах и затем передавать ее последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

12. Самовоспроизводящая. Эта функция связана с воспроизводством живых организмов - живое только от живого.

13. Функция биогеохимической деятельности человека. Данная функция связана со способностью человека участвовать в биогенной миграции атомов. Человек разрабатывает и использует для своих нужд большое количество веществ земной коры (уголь, газ, нефть, торф и др.) Одновременно с этим происходит антропогенное поступление в биосферу чужеродных веществ в количествах, превышающих допустимое значение. Например, мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу более 250 млн. т аэрозолей, 200 млн. т оксида углерода, 120 млн. т золы, более 50 млн. т углеводородов и др.