Глава 4. Биосфера

Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое. Биосфера нашей планеты существует 3 млрд лет, она растет и усложняется наперекор тенденциям холодной энтро­пийной смерти; она несет разумную жизнь и цивилизацию. Биосфера существовала задолго до появления человека и может обойтись без него. Напротив, существование человека невоз­можно без биосферы.

Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы и яв­ляются ее подсистемами. Крупная региональная экосистема, ха­рактеризующаяся каким-либо основным типом растительности, называется биомом. Например, биом пустыни или влажного тро­пического леса. Гораздо меньшей системой является популяция, включающая группу особей одного вида, т. е. единого происхо­ждения, занимающая определенный участок. Более сложной системой, чем популяция, является биоценоз, который включа­ет все популяции, занимающие данную территорию. Таким об­разом, популяция, сообщество, биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малых систем к крупным. Биосфера - это глобальная экосистема планеты, поддерживающая глобальный круговорот веществ.

Важное следствие иерархической организации состоит в том, что по мере объединения компонентов в более крупные функ­циональные единицы на новых ступенях иерархической лестни­цы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип по­лучил название эмерджентности. Суть его: свойства целого не­возможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, при соединении образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами. Другой пример. Некоторые водоросли и кишечно­полостные образуют систему коралловых рифов. Огромная про­дуктивность и разнообразие коралловых рифов — эмерджентные свойства, характерные только для рифового сообщества, но ни­как не для его компонентов, живущих в воде с низким содержа­нием биогенных элементов.

Деятельность организмов в экосистеме приспосабливает геохи­мическую среду к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химический состав атмосферы и сильно забуференная физиче­ская среда Земли резко отличаются от условий на любой другой планете Солнечной системы, позволил сформулировать гипотезу Геи [49]. Согласно этой гипотезе, именно живые организмы создали и поддерживают на Земле благоприятные для жизни условия. Скорее всего, зеленые растения и некоторые микроорганиз­мы сыграли основную роль в формировании земной атмосферы с ее высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа. Гипотеза Геи подчеркивает важность изучения и сохранения этих регулирующих механизмов, которые позво­ляют атмосфере приспосабливаться к загрязнениям, обусловлен­ным деятельностью человека.

В биосфере очень важна роль биогеохимических циклов. Биогенные элементы — С, О^, N₂, P, S, СО₂, Н₂О и другие — в отличие от энергии удержива­ются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы, и обратно, во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огром­ная масса движущихся веществ, не связанных с организма­ми; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным ве­ществом между организмами и их непосредственным окру­жением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с ре­зервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) оса­дочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологи­ческом круговороте). В ходе биогеохимических циклов благодаря жизнедеятельности живых организмов происходит локальное концентрирование и накопление веществ, содержащих определенные элементы, приводящее к формированию месторождений энергетических и сырьевых ресурсов хозяйственной деятельности человека. В течение многих миллионов лет существования жизни живая материя превратила огромно количество солнечной энергии в механическую и химическую, определила состав атмосферы, осадочных пород почвы, гидросферы, неузнаваемо изменила общий облик планеты. Следовательно, можно говорить о неразрывной связи между неорганической и органической материей. Устойчивость стационарного состояния биосферы подчиняется тем же законам, что и устойчивость любой экосистемы. Формирование множества локальных экосистем и глобальной экосистемы планеты – Биосферы, представляло собой всеобъемлющую сукцессию, в ходе которой создавалось разнообразие видов, необходимое для максимально замкнутого круговорота веществ. В результате за относительно короткий (700 млн. лет) срок разнообразие видов достигло современного уровня (около 2 млн. видов). С тех пор отдельные экосистемы Земли и биосфера в целом ни раз переходили от состояния равновесия к сукцессии, при этом нередко происходило вымирание как отдельных видов, так и более крупных таксономических групп растений и животных. На их место в экологических нишах приходили новые виды, и каждый раз переход Биосферы к равновесию сопровождался восстановлением разнообразия на уровне 2 млн. видов.

В двадцатых годах нашего века, еще до развития концепции экосистем, В. И. Вернадский разработал представление о биосфере, как глобальной гео­химической и энергетической системе, в которой основной ход изменений оп­ределяется жизнью.

Биосфера - это экосистема планеты, поддерживающая глобальный круго­ворот веществ.

Участие отдельного организма в геологической истории земли ничтожно, однако общее их количество бесконечно велико и разнообразно, распростра­нение повсеместно. Они обладают избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравне­нию с другими компонентами природы.

Всю совокупность живых организмов на планете В. И. Вернадский рас­сматривал как живое вещество.

Совокупность веществ в биосфере, в образовании которых живые орга­низмы не участвуют, - косное вещество.

Биогенное вещество создается и перерабатывается совокупностью всех живых организмов (уголь, битум, нефть, известняк).

Биокосное вещество - созданное живыми организмами и косными процес­сами, представляя системы равновесия тех и других (почвы, природные воды).

Рассматривая биосферу Земли как единую экосистему, можно убедиться, что ее вещество заметно не уменьшается и не увеличивается, а только перехо­дит из одного состояния в другое. Продуценты из абиотического окружения получают неорганические вещества и, используя энергию солнца, отдают орга­нические соединения, которые потребляют консументы, а последние, отмирая, являются пищей для редуцентов, участвующих в процессах минерализации. Таким образом, создается круговорот биогенных элементов и поток энергии в границах совокупности организмов. Постоянное поступление энергии Солнца питает этот циклический процесс и компенсирует неминуемую утрату энергии.

Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, дав­ления и содержания водяного дара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воз­духа и является источником всех осадков. Атмосфера поддер­живает различные формы жизни на Земле.

В формировании природной среды Земли велика роль тро­посферы (нижний слой атмосферы до высоты 8—10 км в по­лярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических ши­ротах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее вы­брасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядер­ных взрывов в атмосфере.

В тропосфере происходят глобальные вертикальные и го­ризонтальные перемещения воздушных масс, во многом опре­деляющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный пе­ренос пылевых частиц и загрязнений.

Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, про­исходящими в литосфере и водной оболочке.

К атмосферным явлениям относят: осадки, облака, туман, грозу, гололед, пыльную (песчаную) бурю, шквал, метель, из­морозь, росу, иней, обледенение, полярное сияние и др.

Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодейству­ют между собой. Практически все поверхностные экзогенные геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.

Биосфера — внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25—30 км (до озонового слоя), прак­тически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части био­сферы — воздуха, воды и горных пород и органического веще­ства — биоты обусловило формирование почв и осадочных по­род. Последние, по В. И. Вернадскому, несут на себе следы деятельности древних биосфер, существовавших в прошлые гео­логические