Биосфера

Термин «биосфера» (от греч bios – жизнь и sphaira – шар) для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью, был впервые введен австрийским геологом Э.Зюсом в 1875 г. Однако содержание этого термина было недостаточно определённым. Основная роль в разработке учения о биосфере принадлежит выдающемуся естествоиспытателю В.И.Вернадскому (1865-1945). Вернадский в понятие биосфера вложил новое содержание. Он рассматривает биосферу не как простую совокупность живых организмов, а как единую термодинамическую оболочку (пространство), в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды. Живое вещество оказывает непрерывное воздействие на неживую природу, преобразуя и формируя облик планеты и создавая целостную динамическую систему.

По В.И.Вернадскому, важнейшими компонентами биосферы являются:

Ø живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

Ø биогенное вещество органического происхождения (созданное живыми организмами и состоящее из растительных и животных остатков – уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.);

Ø косное вещество – горные породы неорганического происхождения;

Ø биокосное вещество – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, населенные живыми организмами.

Верхняя граница биосферы обусловлена жестким ультрафиолетовом излучением, которое задерживается озоновым экраном на высоте 10-50 км. Нижний предел существования жизни в литосфере –
3-4 км и обусловлен повышение температуры (100°С). Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа. В последнее время в гидротермах дна океана на глубине 3 км обнаружены живые организмы при температуре 250°С. При давлении около 3×10⁷ Па вода в них не кипит, а пределы жизни ограничены точками превращения воды в пар и сворачивания белков. По оценке специалистов, на глубине около 25 км должна существовать критическая температура в 460°С, при которой при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна. Таким образом, границы биосферы несколько условны. Основная масса живого вещества сосредоточена в относительно узком пространстве, называемом биогеосферой, или пленкой жизни (рис.1.1).

Рис.1.1. Границы биосферы и биогеосферы

Атмосфера (от греч. atmos – пар и sphaira – шар) – это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с ней. Масса атмосферы составляет около 5,15 · 10¹⁵ т.

В нижних слоях атмосферы – тропосфере – находится основной запас воздуха. Тропосфера делится как бы на два слоя. В первом, прилегающем к поверхности Земли, слое глубиной около 3 км действуют географические факторы (рельеф, континенты или океаны), изменяя его физико-химические характеристики. В этом слое сосредоточена основная масса водяного пара и загрязняющих веществ, поступающих с поверхности Земли. Над этим слоем располагается свободная атмосфера, которую от лежащей выше стратосферы отделяет тропопауза. Циркуляция воздушных масс в тропосфере регулирует погоду и ее изменения. На каждые 180 м высоты подъема в тропосфере температура уменьшается примерно на 1°С.

Воздух представляет собой смесь газов, состав которой меняется в зависимости от высоты. Наиболее важные компоненты воздуха, участвующие во многих биологических циклах, – кислород (20,95%), углекислый газ (0,034%) и азот (78,08%).

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли – также исключительно важна для создания условий, обеспечивающих жизнь на Земле: для протекания биологических и биофизических процессов в организмах, для прохождения фотосинтеза и выделения кислорода, для геологического преобразования планеты. Водяной пар в атмосфере фильтрует солнечную радиацию, а вода на поверхности Земли смягчает действие высоких температур.

Литосфера – твердая оболочка Земли. С точки зрения биохимических процессов, происходящих в биосфере, особая роль принадлежит почвенному покрову – самой верхней части литосферы. Почва – это продукт выветривания, реорганизации и деформирования верхних слоев земной коры под влиянием атмосферных и обменных процессов. В почве взаимодействуют вода, воздух и живые организмы.

Основная отличительная способность живого вещества в целом – это способ использования энергии. Живые организмы способны улавливать солнечную энергию, удерживать ее в виде энергии сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую и др. В этом уникальность живых существ. Неживые тела не способны к столь сложным преобразованиям энергии, они преимущественно рассеивают ее (камень, например, только нагревается под действием солнечной энергии, но его масса при этом не увеличивается). Живое вещество собирает полученную им в форме солнечного света энергию и превращает ее в свободную энергию, способную совершать работу. Существование живых организмов основано на потреблении энергии из внешней среды. Часть организмов непосредственно использует энергию солнечного света – это растения, другая часть – химическую энергию потребляемых веществ – это животные организмы.

Другой особенностью живых организмов является их уникальная способность к самовоспроизведению, т.е. к производству на протяжении многих поколений форм, практически идентичных по структуре и функционированию.

Функции живого вещества:

1. Энергетическая. Ее выполняют в основном растения, аккумулируя солнечную энергию.

2. Деструктивная. Состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества, химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений.

3. Концентрационная. Заключается в избирательном накоплении при жизнедеятельности организмов атомов веществ, рассеянных в природе. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы.

4. Средообразующая. Состоит в трансформации физико-хими-ческих параметров среды. Можно сказать, что она является совместным результатом всех рассмотренных функций живого вещества.

Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность существования организмов, в том числе и человека. Вместе с тем живое существо способно восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия (принцип Ла Шателье – изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений).

Уровни организации жизни:

Последние три уровня представляют основной интерес для экологических исследований. Популяция – это группа организмов одного вида, занимающая определенную территорию и обычно в той или иной степени изолированная от других сходных групп. Сообщество – это любая группа организмов различных видов, сосуществующих в одном и том же местообитании или на одной площади или на одной площади и взаимодействующих посредством трофических связей.

Живые организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные: автотрофные – живые организмы, способные самостоятельно продуцировать необходимые для их существования органические вещества из неорганических, используя для этого солнечную энергию (фотосинтетики) или окисление неорганических веществ (хемосинтетики); гетеротрофные – организмы, использующие в качестве источника питания органические вещества, произведенные автотрофами.

Для живых организмов характерен гомеостаз – способность поддерживать динамически устойчивое равновесие в изменяющихся условиях среды. Наиболее совершенен гомеостаз у млекопитающих.

Решающее значение в истории образования биосферы имело появление на Земле автотрофных растений, т.е организмов, способных синтезировать органическое вещество из минерального (около 3,5 млрд лет назад). Автотрофные растения (первоначально это были цианобактерии – сине-зеленые водоросли – древнейшие, живущие и поныне фотосинтезирующие организмы) улавливают световую энергию и используют ее для реакций фотосинтеза. Процесс фотосинтеза проходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофиллов) по формуле

6СО₂ + 6 Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

^{хлорофил}

Фотосинтез – единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергией все земные организмы. На протяжении всей истории эволюции биосферы на Земле существует только единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается иногда на очень длительное время.

В результате деятельности таких фотосинтезирующих микроорганизмов началась перестройка химического состава атмосферы Земли: из атмосферы извлекался углекислый газ (СО₂) и выделялся кислород (О₂). Процесс окисления восстановительной атмосферы продолжался около 2,5 млрд лет. Рост содержание О₂ в атмосфере привел к возникновению озонового слоя, защищающего поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Это дало направление эволюции жизни: 400 млн лет назад жизнь вышла на сушу. Появление растительности на суше ускорило процесс фотосинтеза.

При этом в начале эволюции не весь кислород оставался в атмосфере, частично он вступал в химические реакции и окислял поверхностные минералы и горные породы, в результате чего образовались залежи железных и других руд.

В течение всего периода эволюции биосферы значительные массы органических веществ были выработаны автотрофными растениями, но при этом часть органической продукции не участвовала в круговороте и накапливалась в морских и континентальных осадочных породах и почвах. Огромные залежи различных полезных ископаемых (нефть, газ, уголь, торф, сланцы) – яркие свидетельства масштабности этих явлений. Ископаемое топливо можно рассматривать как форму сохранения в виде химической энергии солнечной энергии, поступавшей на Землю в течение сотен миллионов лет.

Многие живые организмы выполняют концентрационную функцию, накапливая в себе определенные элементы. Отдельные организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и др. Отмирая, они образуют скопление этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы и другие, которые для человечества служат ценными полезными ископаемыми.

Современная поверхность Земли – продукт непрерывного процесса «биологизации», в котором человек – последнее эволюционное звено. Биосфера формировалась в течение многих миллионов лет и оказалась системой очень высокого качества с множеством сбалансированных связей. Сегодня структура биосферы необычайно сложна и полностью асимметрична.

В соответствии с теорией Вернадского конечной стадией развития биосферы является ноосфера. Ноосфера связана с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. По этому поводу В.И.Вернадский писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни …». По мнению многих ученых, еще рано говорить о «сфере разума», о чем свидетельствуют многочисленные глобальные экологические проблемы. Вероятно, ноосферное развитие – это разумное управляемое соразвитие человека, общества и природы, при котором удовлетворение жизненных потребностей населения осуществляется без ущерба интересов будущих поколений.