7. Учение о биосфере

7.1. Строение биосферы

Все экосистемы Земли являются составными частями единой гигантской экосистемы, которая охватывает всю поверхность планеты. Эту глобальную экосистему называют биосферой.

Впервые термин «биосфера» использовал австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 г., понимая под ней особую оболочку земной коры, охваченную жизнью. В начале ХХ века русский ученый-геолог В. И. Вернадский закладывает основы новым наукам – геохимии, биогеохимии, радиогеологии - и создает учение о биосфере.

Изучая историю минералов, миграцию химических элементов в земной коре, В. И. Вернадский выявляет грандиозную роль живых организмов в геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. выходит его книга «Биосфера», основные положения которой злободневны и не потеряли своего значения и в ХХ1 веке. Сначала не было обращено должного внимания на мысли В. И. Вернадского, высказанные о биосфере. Только распространение радиактивности, изучение действия отравляющих веществ в связи с цепями питания в биоценозах, последствия урбанизации, отравления выбросами производства и нефтью рек и океана заставили обратиться к учению В. И. Вернадского. Его учение получило распространение во всем мире, в первую очередь во Франции и США. Понятие о биосфере проникло в экологию, географию, стало основой охраны природы.

Под биосферой принято понимать сложную внешнюю оболочку Земли, населенную организмами. Биосфера качественно отличается от всех других сфер Земли, так как в ее пределах проявляется геологическая деятельность живых существ: растений, животных, микроорганизмов, а на последнем этапе истории Земли – и человека. При этом характерно, что определенные группы живых организмов могут оказывать различное, вплоть до диаметрально противоположного, влияние на окружающую среду. Например, растения обогащают ее при фотосинтезе кислородом, животные при дыхании – углекислым газом; растения извлекают громадные массы углерода из атмосферы, а микроорганизмы, разлагая органическое вещество, возвращают большую часть углерода обратно.

Таким образом, суммарное воздействие живых организмов в целом на среду их существования может отличаться от воздействия отдельных их групп. Поэтому при оценке геологической суммарной роли живых существ удобнее и правильнее всю их совокупность рассматривать как единое целое. Такую совокупность живых организмов Земли В. И. Вернадский предложил назвать живым веществом и впервые стал рассматривать его как один из равноправных компонентов земной оболочки – биосферы, который обладает колоссальной энергией и интенсивно преобразует другие компоненты этой оболочки.

В. И. Вернадский считал, что живые организмы являются функцией биосферы и тесно с ней, материально и энергетически, связаны. Эта связь проявляется в биогенном потоке химических элементов, который идет при дыхании, питании и размножении организмов. Самая существенная особенность биосферы – биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессах обмена веществ, росте и размножении организмов. Эта биогенная миграция атомов подчиняется 2 биогеохимическим принципам:

1. Стремиться к максимальному проявлению – возникает «всюдность» жизни, по высказыванию В. И. Вернадского.

2. Приводит к выживанию видов, которые способствуют наиболее быстрой миграции атомов химических элементов в биосфере.

По современным представлениям биосфера – это оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Рис.3. Строение биосферы.

Современная биосфера включает в себя полностью гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы. Биосфера может быть охарактеризована по этим составным частям.

Гидросфера представляет собой совокупность океанов, морей, озер, рек и ледяных покровов. Она образует прерывистую оболочку Земли, занимает около 70,8% ее поверхности. 97 % составляют соленые воды, лишь 3% - пресные, из них ¾ находится в ледниках, ¼ - воды рек, озер и вода, заключенная в живых организмах. Гидросфера связана с литосферой (подземные воды), с атмосферой (водяные пары) и живым веществом.

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, сложенная различными минеральными соединениями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород. Мощность литосферы колеблется в пределах 50-200 км. Химический состав литосферы определяют немногие элементы. Наибольшую долю составляют 8 элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Ведущий элемент – кислород, поэтому земную кору называют царством кислорода.

В биосферу входит только самая верхняя часть земной коры, причем нижняя граница имеет расплывчатый, нечеткий характер, так как распространение живых организмов с глубиной резко уменьшается. Отчетливое распространение жизни наблюдается до глубины в несколько десятков метров, с подземными водами микроорганизмы могут спускаться до 2-3 км. Есть единичные случаи нахождения микроорганизмов в нефтяных платах на глубине 4,4 км.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка, граничащая с космосом. Земля через атмосферу обменивается с космосом веществом и энергией: получает пыль, отдает Н и Не. Земля пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Газовый состав атмосферы более-менее однороден: азот составляет большую часть – 78 %, кислород – 20,9 %, аргон – 0,9 %, углекислый газ – 0,03%.

Половина массы атмосферы находится в пятикилометровом слое. Выше 30 км масса атмосферных газов составляет всего 1 % всей атмосферы. Воздух над поверхностью Земли имеет массу, сравнимую с массой слоя ртути толщиной 76 см или воды толщиной 10 метров.

Атмосферу делят на ряд слоев. Наиболее распространено деление по характеру изменения температуры в зависимости от высоты. По этому принципу выделяют (снизу вверх) тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера – нижний, прилегающий к земной поверхности слой атмосферы, в пределах которого температура равномерно уменьшается с высотой. Верхняя граница тропосферы проходит по тропопаузе. В тропосфере заключено около 80% всей массы атмосферы и весь водяной пар. В ней происходят передвижения воздушных масс, определяющих погоду, образуются облака, выпадают осадки. Уменьшение температуры связано с тем, что тропосфера прогревается преимущественно за счет тепла, излучаемого земной поверхностью. У верхней границы температура снижается до –56^оС.

Стратосфера – оболочка над стратосферой, которой характерны относительно постоянная температура в нижней части (до 25 км) и постепенное возрастание ее в верхней части, а также исключительная сухость воздуха. Верхняя граница – стратопауза - расположена на высоте около 50 км, температура здесь достигает 0-10^оС.

В нижней части стратосферы расположен озоновый слой (около 15-26 км от земной поверхности). Под влиянием магнитного поля Земли озоновый слой над полюсами находится на меньшей высоте и содержит больше озона, чем над экватором. У полюсов озоновый слой располагается на высоте 8-30 км, у экватора –15-35 км.

Значение озонового слоя очень велико. Он поглощает 13% солнечной радиации, идущей к Земле, вся атмосфера поглощает 20%. Поэтому температура воздуха в стратосфере снизу вверх возрастает от –56 до +10^оС. Главная роль озонового слоя - поглощение ультрафиолетового излучения Солнца. На границе с атмосферой эти лучи составляют 7% от всей солнечной радиации. Благодаря озону атмосферы до поверхности Земли доходят лишь сотые доли процента ультрафиолетовых лучей.

Ионосфера характеризуется уменьшением температуры с высотой. Располагается на высоте в 80 и выше км над земной поверхностью. Температура быстро растет и достигает 1000-2000^оС. Из-за воздействия ультрафиолетовых и космических лучей частицы воздуха ионизированы. В пределах ионосферы возникают полярные сияния.

В биосферу входит самая нижняя часть атмосферы – тропосфера. Физическим пределом распространения жизни в атмосфере является озоновый слой. Озоновый слой ограничивает жизнедеятельность, так как выше его концентрация ультрафиолетовых лучей выше допустимых для живых организмов, а концентрация озона так же губительна для живого.

Однако жизнь в атмосфере не может существовать без связи с литосферой и гидросферой. Тропосфера лишь место временного нахождения способных летать или переноситься воздушными потоками организмов. У атмосферы нет постоянных жителей, а имеются лишь «временные пришельцы» из других областей биосферы.

В атмосфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном, океан насыщен жизнью целиком, до дна самых глубоких впадин в 10-11 км. В глубину твердой части Земли активная жизнь проникает местами до 3 км. Результаты жизнедеятельности организмов в виде осадочных пород обнаруживаются еще глубже.

Размножение, рост, обмен веществ и активность живых организмов за миллиарды лет полностью преобразовали эту часть нашей планеты.

Всю массу организмов всех видов В. И. Вернадский назвал живым веществом. В химический состав живого вещества входят те же самые атомы, которые составляют неживую природу, но в другом соотношении. В ходе обмена веществ живые существа постоянно перераспределяют химические элементы в природе. Таким образом, меняется химизм биосферы.

В. И. Вернадский писал, что на земной поверхности нет химической силы более постоянной, а поэтому более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. За миллиарды лет фотосинтезирующие организмы связали и превратили в химическую огромное количество солнечной энергии. Часть ее в ходе геологической истории накопилась в виде залежей угля и других ископаемых органических веществ – нефти, торфа, горючих сланцев и др.

За счет фотосинтеза накоплен кислород атмосферы. На ранней Земле в атмосфере преобладали другие газы: водород, метан, аммиак, углекислый газ. После увеличения количества кислорода в атмосфере возник озоновый слой, который дал возможность живым организмам выйти на сушу.

Большая часть углекислого газа современной атмосферы выделяется в процессах дыхания бесчисленных живых существ или сжигания органического топлива. Атмосферный азот тоже является следствием деятельности жизни, он образуется в результате активности ряда почвенных бактерий.

Благодаря живым существам возникли многие горные породы на Земле. Организмы обладают способностью избирательно поглощать и накапливать в себе отдельные элементы в гораздо большем количестве, чем они есть в окружающей среде. Например, многие морские виды концентрируют в своих скелетах кальций, кремний или фосфор и, отмирая, создают на дне водоемов большие толщи осадочных пород: залежи известняков, мела, кремнистых сланцев, фосфоритов. Такие породы называются органогенными или биогенными, так как они обязаны своим происхождением живым организмам.

Жизнью создан на поверхности суши почвенный слой. В почве так тесно связаны между собой минеральные компоненты, разлагающиеся органические вещества и многочисленные микро- и макроорганизмы, что В. И. Вернадский отнес ее к особым, биокосным телам природы. Такой же биокосный состав имеют и воды Мирового океана, насыщенные продуктами обмена веществ и населенные бесчисленными обитателями.

В. И. Вернадский выделял в биосфере несколько различных, взаимосвязанных компонентов, в том числе:

- живое вещество, создающее и разрушающее органические вещества: растительный мир, животный мир, активно потребляющий растительную массу, и микроорганизмы;

- косное вещество – неживой компонент биосферы, горные породы, в основном магматического происхождения, слагающие земную кору, минералы;

- биокосное вещество – продукты переработки живыми организмами косного вещества биосферы – это почва, воды Мирового океана;

- биогенное вещество – осадочные породы органического происхождения, продукты неполного разложения живых организмов, могут состоять из растительных и животных остатков;

- радиактивное вещество – в воде, воздухе и почве мигрирует довольно большое количество радиактивных частиц, поступающие при извержении вулканов и в результате естественных ядерных превращений;

- рассеянные атомы – часть атомов химических элементов находится в биосфере в свободном состоянии, могут участвовать в химических процессах;

- космическое вещество – пыль, метеориты попадают на Землю ежедневно в ощутимых количествах и не могут не оказывать своего влияния на газовый, ионный и аэрозольный состав атмосферы.

В. И. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы в статье «О пределах биосферы» в 1937 г. Какие же физико-химические условия наиболее благоприятны для существования жизни?

1. Достаточное количество углекислого газа и кислорода.

2. Достаточное количество воды, причем в жидком состоянии.

3. Температурный режим, исключающий как слишком высокие, так и слишком низкие температуры.

4. Наличие достаточного количества элементов минерального питания.

5. Определенная соленость водной среды.

В литосфере жизнь ограничивается прежде всего температурой горных пород и подземных вод, которая постепенно нарастает с глубиной и на уровне 1,5-15 км превышает +100^оС. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин глубиной 10-11 км. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20-22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км.

Распределение жизни в биосфере отличается неравномерностью. Наиболее велика концентрация живого вещества на границах раздела основных сред – в почве, т.е. пограничном слое между литосферой и атмосферой, на дне водоемов и особенно – на литорали – зоне морского дна, затопляемой во время прилива и осушаемой при отливе, в лиманах и эстуариях - затопляемых устьях рек, где три среды – вода, почва и воздух – тесно взаимодействуют друг с другом. Места наибольшей концентрации жизни В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

С точки зрения современной экологии живое вещество обладает некоторыми специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции.

Свойства и особенности живого вещества:

Живое вещество биосферы характеризуется большим запасом энергии.

Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций (в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее).

Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и др. - устойчивы только в живых организмах.

Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всего живого в биосфере.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно свыше 2 млн органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время, как количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет около 2 тысяч, то есть на три порядка меньше.

Живое вещество представлено в биосфере в виде индивидуальных организмов, размеры которых колеблются в огромных пределах. Величина самых мелких вирусов не превышает 20 нм (1 нм= 10^-9м), самые крупные животные – киты – достигают 33 м в длину, самое большое растение – секвойя – 100 м в высоту.

Основные биогеохимические функции живого вещества:

Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.

Газовая функция обеспечивает поддержание определенного газового состава среды обитания и атмосферы в целом. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества создаются основные газы: азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении главным образом тех веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.) При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.

Концентрационная предполагает способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание, по сравнению с окружающей средой.

Деструктивная функция – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, как самих органических остатков, так и костных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).

Транспортная функция - это осуществление переноса вещества и энергии в результате активной формы движения организмов, тем самым реализуются перемещения вещества на поверхности планеты и «восходящие» ветви биогеохимических циклов.

Средообразующая функция. В результате совместного действия других функций преобразуются физико-химические параметры среды.