Биосфера

Биосфера[1]

            Термин «биосфера» был впервые введен в науку австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 г. Под биосферой Зюсс понимал область на поверхности материков, заселенную живыми организмами. Чуть позже, в 1802 г., знаменитый французский натуралист Ж.-Б. Ламарк указал на то, что жизнь имеет планетарные масштабы влияния на земную кору, как в настоящее геологическое время, так и прошлом. Хотя Ламарк и не пользовался термином «биосфера», по сути дела, он первым охарактеризовал ее значение для планеты. Впоследствии эти идеи о глобальном влиянии жизни на природные явления были развиты на рубеже XIX и XX веков В.В. Докучаевым.

            Наконец, в 1926 г. великий русский ученый академик В.И. Вернадский опубликовал свой классический труд «Биосфера». В нем было обосновано то, что литосфера, гидросфера и атмосфера связаны воедино и в значительной мере сформированы благодаря деятельности живых организмов.

            Согласно Вернадскому, в состав биосферы входят: 1) живое вещество, то есть вещество, входящее в состав живых организмов; 2) косное вещество, то есть вещество, никогда не входившее в состав живых организмов и возникшее до возникновения жизни (это многие горные породы и т. п.); 3) биогенное вещество, то есть мертвые остатки живых организмов и продукты их жизнедеятельности в виде органических и минеральных веществ; 4) биокосное вещество, то есть продукты переработки живыми организмами горных пород; 5) радиоактивное вещество, то есть совокупность атомов, находящихся в состоянии радиоактивного распада; 6) вещество рассеянных атомов, то есть совокупность элементов, находящихся в атомарном состоянии и не входящих в состав сложных веществ; 7) космическое вещество, то есть совокупность веществ, попадающих на нашу планету из космоса. Наибольшее значение для биосферы имеют живое, биогенное и биокосное вещества.

            Особенно велика в функционировании биосферы роль живого вещества. Оно выполняет в ней целый рад функций:

1. энергетическая функция – способность живых организмов поглощать энергию солнечных лучей и экзотермических химических реакций, превращать ее в энергию химических связей и передавать по пищевым цепям;

2. средообразующая функция – способность живых организмов преобразовывать физико-химические параметры среды. Как важные составляющие этой функции можно рассматривать газовую функцию (способность живых организмов поддерживать постоянство газового состава атмосферы) и окислительно-восстановительную функцию (способность живых организмов изменять степень окисления химических элементов и тем самым поддерживать разнообразие химических соединений в биосфере, что обеспечивает и разнообразие жизни);

3. концентрационная функция – способность живых организмов накапливать в своем теле определенные химические элементы, что приводит к их перераспределению в пределах биосферы и, в частности, выражается в образовании залежей некоторых полезных ископаемых;

4. транспортная функция – способность живых организмов перемещать вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении;

Рекомендуемые материалы

5. деструктивная функция – способность живых организмов разлагать органические вещества до состояния биогенов, доступных для продуцентов, и тем самым обеспечивать возможность круговоротов веществ;

6. информационная функция – способность живых организмов накапливать, хранить, реорганизовывать и передавать информацию о структурных и динамических характеристиках биосферы.

Естественно, что живое вещество – не какая-то однородная пленка на поверхности Земли, оно подразделяется на определенные структуры. Принцип организации живого вещества можно назвать диффузно-комплементарным.

            Живые организмы обитают на нашей планете и в воздухе, и в воде, и под землей. Вернадский говорил о трех сферах жизни в биосфере: атмосфере, литосфере и гидросфере. В атмосфере наиболее заселенным живыми организмами является ее приземный слой, примерно до 1 – 1.5 км над уровнем моря (в горах – до 6 км над уровнем моря). Литосфера, то есть твердая оболочка земли, тоже заселена далеко не вся. Максимальная глубина, на которой в толще нашей планеты были обнаружены живые организмы, составляет 4 – 4.5 км. Это и есть граница биосферы в литосфере. Гидросфера, или водная оболочка Земли, заселена жизнью практически полностью. Вернадский проводил границу биосферы в гидросфере ниже океанического дна, поскольку донный грунт – это продукт жизнедеятельности организмов.

            Суммарная биомасса организмов, образующих биосферу, оценивается приблизительно в 2 трлн тонн, притом около 98% ее приходится на наземные растения.

            Если к биосфере относить те зоны Земли, где длительное время существуют постоянные сообщества живых организмов, то верхнюю границу биосферы следует проводить по высоте рекордных активных залетов летающих животных - до 10 км. Выше этой границы до озонового экрана располагается парабиосфера. Микроскопические организмы в состоянии анабиоза встречаются на высоте до 70 км, в стратосфере. Эта зона получила название апобиосфера. Мощность биосферы по вертикали составляет нижний (до 10 км) слой атмосферы, всю толщу воды (в океане до 11 км) и незначительную донную пленку жизни, а на континентах - тонкий наземный и мощный (более 3 км) подземный слой. Ниже, в пределах нескольких десятков километров, земная кора охватывает ряд геологических оболочек, сформированных прежними состояниями биосферы. Этот уровень носит название метабиосфера. Все названные оболочки – метабиосфера, собственно биосфера (эубиосфера), парабиосфера и апобиосфера – образуют многослойную мегабиосферу, под которой находятся нижележащие слои земной коры.

            К собственно биосфере, или эубиосфере, относят те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых организмов. Это поле существования жизни. К полю существования жизни прилегают участки, где организмы хотя и выживают, но находятся в угнетенном состоянии и не размножаются, - это поле устойчивости жизни. Поле существования жизни соответствуют тем участкам земной поверхности, где обеспечены приемлемые для организмов условия с точки зрения концентраций и парциальных давлений кислорода и углекислого газа, наличия и не слишком высокой солености воды, подходящих температурных условий, наличия достаточного количества необходимых минеральных веществ.

            Живое вещество распределено по нашей планете достаточно неравномерно. Максимум его приходится на приповерхностные участки суши (особенно велика биомасса лесов жаркого пояса) и гидросферы. Более 90% живого вещества приходится на наземную растительность (97-98% биомассы суши).

            Говоря о биогеохимических циклах, мы подчеркивали огромные масштабы земной поверхности, вовлеченной в эти процессы (особенно – применительно к газовым круговоротам). Вполне корректно будет сказать, что биогеохимические циклы затрагивают всю биосферу. Таким образом, в планетарных масштабах существует устойчивый глобальный круговорот веществ.

            Взаимосвязь между атмосферой, литосферой, гидросферой в значительной мере опосредована почвой. С гидросферой почву связывает вынос почвенных вод в водоемы. Вместе с почвенными водами в гидросферу попадают различные химические соединения, способные влиять на продуктивность водоемов. В то же время, процесс вымывания ионов из почвы замедляется тем обстоятельством, что частицы гумуса и связанной с ним глины (такие комплексные частицы называют мицеллами) способны удерживать эти ионы (в основном, катионы щелочных и щелочноземельных металлов, а также магния, – за счет сил электрического притяжения). В результате обеспечивается постоянное присутствие ионов в почве и, соответственно, минеральное питание произрастающих на ней растений. Однако приток в почву из атмосферы углекислого газа, сопровождающийся образованием и диссоциацией угольной кислоты, может приводить к вытеснению из мицелл катионов металлов и их замещению ионами водорода. При этом одновременно происходит и снижение величины pH, и вымывание катионов металлов из почвы.

            С другой стороны, почва обеспечивает и энергетический баланс биосферы. Выражается это в том, что она принимает на себя поток солнечной энергии, достигающий поверхности суши, и частично поглощает, а частично отражает эти лучи. Нагрев почвы изменяет интенсивность испарения влаги, что сказывается и на круговороте воды, и на газовом составе атмосферы.

Обратите внимание на лекцию "4.2 Классификация интерфейсов".

            Еще более прямо почва связана с литосферой, поскольку и при возникновении и в дальнейшем своем существовании она заимствует из последней значительную часть минеральных веществ и одновременно може отдавать часть накопленного вещества, в том числе и органического, обратно в литосферу. В конечном итоге, это означает перенос в глубокие части литосферы аккумулированной солнечной энергии.

            В целом, можно сказать, что почва является связующим звеном между биологическими и геологическими круговоротами. В чем-то похожие функции выполняют и другие биокосные подсистемы биосферы: водоемы и грунты на дне водоемов.

            Огромную роль во взаимодействии между гидросферой и атмосферой играют также вода и воздух. Во-первых, это часть глобального круговорота воды, связанная с испарением воды с поверхности водоемов и выпадением в водоемы атмосферных осадков. Во-вторых, это и энергетические связи – как прямые (через поглощаемое солнечное излучение), так и опосредованные фотосинтезом. Наконец, в воде водоемов могут непосредственно растворяться атмосферные газы, при этом особенно важна для водных организмов концентрация CO₂ и O₂.

            Наконец, особое значение для формирования и поддержания облика нашей планеты имеет живое вещество, представленное огромным разнообразием организмов. Хотя вся биомасса организмов Земли ничтожна по сравнению с общей массой планеты (по Шилову, 1997, она составляет лишь 1/2100 от последней), ее роль для нашей планеты чрезвычайно велика. Именно благодаря интенсивно протекающим биохимическим реакциям, на Земле происходят круговороты кислорода и углерода, которые определяют невероятно большую, по сравнению с другими известными планетами, долю содержания в земной атмосфере свободного O₂. Велика роль живых организмов и в круговороте фосфора, и в других биогеохимических циклах.

            Как экосистема, биосфера проявляет все свойства экосистем, отличаясь только большей масштабностью и почти полной замкнутостью. Она обладает свойством саморегуляции. Благодаря последней, биосфера поддерживает себя в состоянии устойчивого равновесия – гомеостаза.

[1]Нинбург; Присный, Салтыков, Маглыш, Шилов, биологический энциклопедический словарь, Одум, Галактионов «Многообразие живого на Земле и пути его становления»