2 Структура биосферы. Живое вещество. Распределение жизни в биосфере

Важной особенностью биосферы есть ее слитность с другими геосферами Земли. Биосфера размещена в пределах атмосферы, гидросферы и части литосферы.

Общая протяженность биосферы по радиусу Земли составляет около 40 км. Она протягивается от нижней части озонового экрана атмосферы, которая расположена на высоте 20-25 км над уровнем моря, к верхней части горных пород суши и дна Мирового океана. Нижняя граница биосферы лежит на 23 км в глубине суши и на 1-2 км ниже дна океана.

Основная масса живого вещества, наличие которого отличает биосферу от других геосфер, сосредоточенно в сравнительно небольшой прослойке биостромы. Биострома лежит на поверхности почвы и охватывает верхние пласты водоемов. В этой зоне находится 98% всего живого вещества планеты.

Биосфера сформирована из разных веществ. В.И.Вернадский, выделяет шесть главных веществ биосферы. Живое вещество, которое представлено организмами разных видов.

Биогенное вещество, которое являются продуктом жизнедеятельности организмов (например, каменный уголь, торф).

Неживое (костное) вещество, в образовании которого живые организмы не брали участия. Это, например, горные породы и минералы.

Биокосное вещество, которое сформировано за счет взаимодействия живого и костного веществ. Основным видом биокосного вещества является грунт.

Радиоактивное вещество.

Космическое вещество (например, метеориты).

Рассмотрим основные компоненты биосферы более детально.

Живое вещество. По последним оценкам, живое вещество составляет 18x10 тонн. К.Г.Ситник и С.П. Вассер (1992) считают, что на Земле существуют 1447609 видов живых организмов. По мнению других исследователей, их намного больше, возможно 80 млн. видов. Полнота выявления живых организмов неодинаковая в разных сферах. Виды сосудистых растений выявлены в 80%, мхов в 70%, водорослей в 50%, грибов - только в 1-10%, членистоногих - в - 20%, монер - в 15-20% и вирусов всего в 5%.

Уникальная роль живого вещества в биосфере заключается в ее высокой биогеохимической активности. Живое вещество автотрофных организмов осуществляет поглощение солнечной энергии и ее превращение в энергию химических связей. Совокупная биогеохимическая активность живого вещества привела к значительному изменению газового состава атмосферы, в результате чего атмосфера восстановительного типа превратилась в атмосферу окислительного типа со значительным содержимым кислорода. За счет деятельности биосферы на Земном шаре сформировался озоновый экран, который перехватывает большую часть жесткого космического излучения и создает благоприятные условия жизни на поверхности планеты. Живое вещество изменило, горные породы и оказало содействие появлению новых видов (известняки и др.). Жизнедеятельность растений, животных и микроорганизмов послужила причиной появления грунта.

Живое вещество планеты является инициатором и движителем биогеохимических циклов веществ. Большое значение в этом имеет размножение организмов, которое В.И.Вернадский называл «растеканием» живой материи, ее «стремлением к вездесущности».

В 1931 г. вышла статья В. И. Вернадського “О границах биосферы”. Тем не менее, нужно напомнить, что ученый к этой проблеме обратился еще в 1926 г.

Однако тогда наука еще не владела достаточным количеством информации, которая бы дала полный ответ на вопрос: где проходят границы биосферы? Например, не подтвердилось предположение ученого о заселении всей осадочной оболочки Земли бактериями. Известно, что распределение микроорганизмов в подземных водах, а, значит, и нижняя граница биосферы на континентах определяется двумя факторами: температурой воды и концентрацией в ней минеральных солей. Живые бактерии могут существовать в водах с температурой до 100°С, тогда как активная их жизнедеятельность проявляется на границе около 80°С. Крайняя граница соляного раствора -270 мг/л, что в 10 раз превышает концентрацию воды океана.

Предположение В.И. Вернадского о повсеместном распространении жизни в океане к самому его дну сбылось. Однако это подтвердилось через несколько десятков лет - в 1960 г., когда батискаф "Триест" с Жаком Пиккаром и Доном Уолшем затронул дно Марианской впадины на глубине 10919 м от точки погружения. Акванавты на большой глубине увидели жизнь, о которой В.И. Вернадский только догадывался. Сегодня можно утверждать, что океаническая граница биосферы находится на глубине около 11 км.

Воздушные потоки поднимают и переносят мириады микроорганизмов, вирусов, которые живут главным образом, в каплях влаги. Здесь можно встретить пыльцу, споры и семена растений, биогенные вещества - биолины и фитонциды. Здесь бурлит жизнь, особенно от нескольких метров поверхности суши или воды до приблизительно 50-300 м. Эту часть атмосферы М. Ф. Реймерс (1994) считает экотоном между террабиосферой и гидробиосферой, с одной стороны, и тропосферой - с другой. Ту часть тропосферы, куда лишь спорадично поднимаются перелетные птицы, стаи саранчи или какие-то сосредоточения насекомых, автор относит к тропобиосфере. Над последней, вне пласта положительных температур, лежит относительно тонкий пласт альтобиосферы (лат. альтус - высокий). Здесь, где температура среды не поднимается выше 0°С, жизнь возможна лишь благодаря прямой солнечной инсоляции.

Анализируя приведенные данные, о нижней и верхней границах биосферы, а также физико-химические условия, которые их определяют, ученые выделяют три группы жизнеобеспечивающих факторов.

Во-первых, это достаточное количество углекислого газа и кислорода. На Гималаях, например, зеленый покров ограничен высотой 6200 м, где парциальное давление углекислого газа ниже, чем на поверхности моря. Однако и там жизнь не прекращается: ее поддерживают некоторые виды пауков и насекомых, которые питаются органическими остатками, занесенными сюда ветром.

Во-вторых, достаточное количество влаги, которая обеспечивает нормальный ход ферментативных процессов.

В-третьих, благоприятный термический режим, который исключает весьма высокие температуры (предопределяют обращение белка), или весьма низкие (прекращают работу ферментов). Самыми живучими являются прокариоты - бактерии и цианобактерии, их можно встретить в ледниках Арктики, в скальных породах Антарктики, в горячих источниках с температурой до 98°С, и в подземных водах - и при 100°С.

Итак, мощность биосферы по вертикали в океане охватывает всю толщу воды и незначительную донную пленку жизни, а на континентах - тонкий надземный и мощный подземный пласт. Вся земная поверхность нашей планеты принадлежит к биосфере, исключая, возможно, отдельные высокогорные участки, покрытые ледниками и безводные пустыни.

Самым продуктивным пластом суши является Литосфера, которая вместе с водными биоценозами образовывает активную пленку жизни. К литосфере принадлежат не только биоценозы, образованные на поверхности суши. Жизнь не ограничивается лишь поверхностью суши. Она существует и в нижних пластах литосферы, особенно в подземных водах.

Гидробиосфера распределяется на два системных образования - океаническое и континентальное водохранилище - океанобиосферы, или мариносферу и аквабиосферу. Каждое из этих образований имеет свою характерную структуру и свой набор гидробионтов.

Особенно нужно отметить озоносферу, которую еще называют озоновым экраном. Несмотря на низкое содержание озона в атмосфере, этот газ играет существенную эколого-биологическая роль, активно поглощая коротковолновое ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Озоновый слой, расположенный в стратосфере на высоте приблизительно 15-20 км (верхняя граница его распространение 45 км), не только определяет температурный режим стратосферы, но является и защитным щитом земных организмов, отражая от них смертоносное ультрафиолетовое излучение.

В последние десятилетия внимание мировой общественности приковано к разрушению озонового слоя, которое происходит главным образом под влиянием хлорфторуглеводов (фреонов), и которые широко используются в быту (холодильные установки, газовое наполнение аэрозольных баллончиков). Эти соединения (95%, как правило, попадает в воздушную среду) под действием ультрафиолетового излучения выделяют хлор, который и разрушает стратосферный озон. Этому отрицательному процессу оказывают содействие также и выбросы реактивных самолетов, ядерные выбросы, распространение минеральных удобрений, что сопровождается выделением азота и его окислов, способных разрушать озоновый экран.

Итак, собственно биосфера - это пласт активной жизни, глубина которого на суше составляет приблизительно 12 км, а в пределах океана -17 км. Это расстояние значительно меньшее, чем предполагалось (20-22 и даже больше). В среднем пласт планетарной жизни достигает всего около 20 км. Если сопоставить размеры космоса и земной антропосферы, это напоминает целлофановую пленку, которую так легко повредить.