Учение о биосфере В. И. Вернадского

     На  основе работ В. И. Вернадского и  других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы: формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии; биогеографические формы – территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны; экологические формы, известные под названием экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Напомним, что биотоп – это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп – это место обитания сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах. (9)

     Вещественный  состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей: живое вещество; биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т. д.); косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное); биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы); вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда); рассеянные атомы земного вещества и космических излучений; вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др. (2)

     В строении и морфологии биосферы исключительно  важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

     слой  живого вещества, так называемая «пленка  жизни»;

     почвенный покров;

     ландшафтно-экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;

     кора  выветривания, т. е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;

     древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;

     многочисленные  минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.; природные воды осадочной оболочки; миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;

     минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они – главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

     Из  сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы – это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ. (10)

     Разрабатывая  учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения. Для объяснения большой суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Ученый подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2% площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.

     В.И. Вернадский так же, как и Ламарк 140 лет назад попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И чем больше он вникал в проблему, тем более ясно становилось, что вырисовывается новый разрез мира. В.И. Вернадский составил таблицу из 16-ти пунктов, где рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом смысле. Анализ таблицы показывал, что в природе нет никаких переходов от неживого к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить от живого. Организм и косную материю разделяет непроходимая стена. Принцип итальянского естествоиспытателя и врача Франческо Реди, гласящий, что живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом проходит резкая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие, – получил свое подтверждение. (13) 

     СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ 

     АТМОСФЕРА. Это воздушная оболочка, состоящая в основном из азота и кислорода; достигает мощности до 20 тыс. км. В меньших концентрациях она содержит углекислый газ и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и особенно биологические процессы на земной поверхности и в водной среде. Наибольшее значение для биологических процессов имеют кислород атмосферы, используемый для дыхания организмов и минерализации омертвевшего органического вещества, углекислый газ, расходуемый при фотосинтезе, а также озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Вне атмосферы существование живых организмов невозможно. Это видно на примере лишенной жизни Луны, у которой нет атмосферы. Исторически развитие атмосферы связано с геохимическими процессами, а также жизнедеятельностью организмов. Так, азот, углекислый газ, пары воды образовались в процессе эволюции планеты благодаря (в значительной мере) вулканической активности, а кислород – в результате фотосинтеза.

     ГИДРОСФЕРА. Вода является важной составной частью всех компонентов биосферы и одним из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) заключена в Мировом океане, который занимает примерно 70% поверхности Земного шара. Общая масса океанических вод составляет свыше 1300 млн. км³. Около 24 млн. км³ воды содержится в ледниках, причем 90% этого объема приходится на ледяной покров Антарктиды. Столько же воды содержится под землей. Поверхностные воды озер составляют приблизительно 0,18 млн. км³ (из них половина соленые), а рек – 0,002 млн. км³. Количество воды в телах живых организмов составляет примерно 0,001 млн. км³. Из газов, растворенных в воде, наибольшее значение имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. Концентрация углекислого газа также варьирует. А общее количество его в океане в 60 раз превышает его содержание в атмосфере.

     ЛИТОСФЕРА. Основная масса организмов, обитающих  в пределах литосферы, сосредоточена в почвенном слое, глубина которого обычно не превышает нескольких метров. Почвы представлены минеральными веществами, образующимися при разрушении горных пород, и органическими веществами – продуктами жизнедеятельности организмов.

     БИОТИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговоротов химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии Солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами – гетеротрофами – разрушается, с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.

     Важная  роль в глобальном круговороте веществ принадлежит циркуляции воды между океаном, атмосферой и верхними слоями литосферы. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на многие километры. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делая их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворенными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в океаны и моря.

     Подсчитано, что с поверхности Земли за 1 мин испаряется около 1 млрд. т воды. Энергия, затрачиваемая на испарение воды, возвращается в атмосферу. Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой природой.

     В качестве примеров биотического круговорота рассмотрим круговороты углерода и азота в биосфере. Круговорот углерода начинается с фиксации атмосферного диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся при фотосинтезе углеводов используют сами растения для получения энергии, часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане. Круговорот азота также охватывает все области биосферы. Хотя его запасы в атмосфере практически неисчерпаемы, высшие растения могут использовать азот только после соединения его с водородом или кислородом. Исключительно важную роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. При распаде белков этих микроорганизмов азот снова возвращается в атмосферу.

     Показателем масштаба биотического круговорота служат темпы оборота углекислого газа, кислорода и воды. Весь кислород атмосферы проходит через организмы примерно за 2 тыс. лет, углекислый газ – за 300 лет, а вода полностью разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн. лет. (9, 2) 

       ГРАНИЦЫ БИОСФЕРЫ 

     Горизонтальных  границ у биосферы нет и речь следует вести только о ее вертикальной размерности. Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием солнечной радиации. Так, пыльца цветковых и голосеменных растений, споры грибов, мхов, папоротников и лишайников, бактерии и простейшие животные организмы постоянно или с сезонной ритмикой присутствуют в воздухе. Над сушей и акваторией в дожде, снеге, в облаках и туманах кроме пыльцы и спор обнаружены микроорганизмы. Вся воздушная среда представляет собой суспензию жизнеспособных пыльцы, спор и микроорганизмов, содержание которых уменьшается с высотой. Интенсивность радиации, создаваемой космическими лучами, на высоте 9 км в десятки раз больше, чем на уровне моря, а на высотах 15–18 км возрастает уже в сотни раз. Высотное распространение микроорганизмов ограничивается в основном потоком жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца, убивающей все живое.

     Можно утверждать, что вся тропосфера, высота которой 8–10 км в полярных широтах и 16–18 км у экватора, в большей или меньшей степени заселена живыми организмами, которые находятся в ней либо временно, либо постоянно. Уже в тропопаузе резко изменяются физические и температурные характеристики биосферы, в частности прекращается интенсивное турбулентное перемешивание воздушных масс. Стратосфера, находящаяся выше тропопаузы, вряд ли пригодна для существования микроорганизмов. Верхний предел биосферы, или поля существования жизни, довольно ясно просматривается в тропопаузе. Однако верхний предел занесения спор и микроорганизмов, определяющий «поле устойчивости жизни» (живые организмы существуют, но не размножаются), возможен до верхней границы стратосферы.

     Таким образом, область распространения  живых организмов ограничена в основном тропосферой. Например, верхняя граница полета орлов находится на высоте 7 км; растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространены выше 6 км; верхняя граница постоянного обитания человека – 5 км, обрабатываемых земель – 4,5 км, леса в горных системах тропиков не растут выше 4 км. (9)

     Тропосфера представляет собой воздушную среду, в которой осуществляется только передвижение организмов, нередко при помощи своеобразно приспособленных для этого органов. Настоящего аэропланктона, постоянно обитающего и размножающего в воздушной среде, видимо, нет. В противном случае тропосфера представляла бы собой «кисель», максимально насыщенный микроорганизмами. Весь цикл своего развития, включая размножение, организмы осуществляют только в литосфере и гидросфере, а также на границе воздушной среды с этими оболочками. Верхние слои тропосферы и стратосферы, в которые возможно занесение микроорганизмов, а также наиболее холодные и жаркие районы земного шара, где организмы могут существовать лишь в покоящемся состоянии, называются парабиосферой.

     В состав биосферы полностью включается гидросфера – озера, реки, моря и океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет. Обычно ее глубина не превышает 200 м в морях и континентальных пресноводных бассейнах. Именно в фотобиосфере, где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующие организмы и продуцируется первичная биологическая продукция. Афотическая зона (меланобиосфера), начинающаяся с глубины 200 м, характеризуется темнотой и отсутствием фотосинтезирующих растений. Она представляет собой водную среду обитания активно перемещающихся животных. Вместе с тем через нее непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.