Биосфера

  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.  

  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.

  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.

  О нижнем, литосферном, пределе биосферы, ясного представления пока нет. В большинстве работ, посвященных биосфере, указывается, что ее нижний предел на континентах составляет в среднем 2-3 км. Здесь в условиях низких, по сравнению с более глубокими слоями, температуры и давления, но при участии живых организмов (микроорганизмов) и воды, прекращается миграция химических элементов. Микробиологические исследования свидетельствуют о том, что микроорганизмы присутствуют также в пластовых водах, омывающих нефть, хотя сама нефть стерильна.

  Под океанами литосферный предел биосферы, вероятно, распространяется на 0,5-1,0 км и, возможно, на 3,0 км ниже дна. Однако существует более  обоснованное предположение, что заселенным микроорганизмами может оказаться  только 200-250-метровый слой донных осадков. Достоверно установлено, что микрофлора обитает в донных осадках мощностью от 5 см (Черное море) до 10-12 м (Тихий и Индийский океаны) и 114 м (Каспийское море). О более глубоком проникновении жизни в литосферу, несмотря на интенсивные буровые работы, достоверной информации нет. Точную массу и объем биосферы установить очень трудно, поскольку неизвестно точное положение ее вертикальных границ. Можно говорить только о приближенных значениях этих характеристик. Масса всей биосферы (атмосфера +  гидросфера + литосфера в границах биосферы) составляет 3×10 в 9-й млрд. т, или 0,05% массы Земли, а объем – 10 млрд. куб. км, или 0,4% объема Земли.

  Ниже литосферной  границы биосферы лежит «область былых биосфер», под которой В. И. Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом подвергшуюся воздействию жизни. Ученый отмечал, что земная кора, мощностью в несколько  десятков км, с осадочными породами и гранитной оболочкой когда- то была на поверхности планеты и  входила в состав биосферы. Каменный уголь, нефть, мрамор, доломит, известняк, мел, железная руда и другие горные породы осадочного происхождения –  свидетели существования жизни в «былых биосферах».

  В научных  работах, посвященных географической оболочке, биосфера долго рассматривалась  как совокупность живых организмов, или органической материи. При таком  подходе недостаточно полно учитывались  особенности биосферы как планетарного образования. В современном представлении  географов понятие «биосфера» отражает лишь частный, биоцентрический взгляд на географическую оболочку, которая  представляет собой единственную на 
Земле геосистему планетарного уровня.  

  ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО ПЛАНЕТЫ

  Одним из центральных звеньев концепции  биосферы является учение о живом  веществе. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В. И.Вернадский подошел к вопросу о генезисе (происхождение, возникновение) химических элементов в земной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы. Анализируя проблему миграции атомов, он пришел к выводу, что “нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества”. Позже он формулирует понятие “живого вещества”: “Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов,… Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом”. 
Главное предназначение живого вещества и его неотъемлемый атрибут – накопление свободной энергии в биосфере. Обычная геохимическая энергия живого вещества производится, прежде всего, путем размножения.

  Научные идеи В. И. Вернадского о живом  веществе, о космичности жизни, о  биосфере и переходе ее в новое  качество – ноосферу своими корнями  уходят в 19-начало 20 в., когда философы и естествоиспытатели предприняли  первые попытки осмыслить роль и  задачи человека в общей эволюции Земли. Именно их усилиями человек начал  свое продвижение к вершинам естественной эволюции живого, постепенно занимая  экологическую нишу, отведенную ему  природой.

  В 30-е годы В. И. Вернадский из общей массы живого вещества выделяет человечество как его особую часть. Такое обособление человека от всего живого стало возможным по трем причинам. Во-первых, человечество является не производителем, а потребителем биогеохимической энергии. Такой тезис требовал пересмотра геохимических функций живого вещества в биосфере. Во- вторых, масса человечества, исходя из данных демографии, не является постоянным количеством живого вещества. И, в-третьих, его геохимические функции характеризуются не массой, а производственной деятельностью. 
Характер усвоения человечеством биогеохимической энергии определяются разумом человека. С одной стороны, человек – это кульминация бессознательной эволюции, “продукт” спонтанной деятельности природы, а с другой – зачинатель нового, разумно направленного этапа самой эволюции.

  Какие же характерные особенности присущи  живому веществу? Прежде всего, это огромная свободная энергия. В процессе эволюции видов биогенная миграция атомов, т. е. энергия живого вещества биосферы, увеличилась во много раз и продолжает расти, ибо живое вещество перерабатывает энергию солнечных излучений, атомную энергию радиоактивного распада и космическую энергию рассеянных элементов, приходящих из нашей Галактики. Живому веществу присуща также высокая скорость протекания химических реакций по сравнению с веществом неживым, где похожие процессы идут в тысячи и миллионы раз медленнее. К примеру, некоторые гусеницы в сутки могут переработать пищи в 200 раз больше, чем весят сами, а одна синица за день съедает столько гусениц, сколько весит сама.

  Для живого вещества характерно то, что слагающие  его химические соединения, главнейшими  из которых являются белки, устойчивы  только в живых организмах. После  завершения процесса жизнедеятельности  исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей.

  Живое вещество существует на планете в форме  непрерывного чередования поколений, благодаря чему вновь образовавшееся генетически связано с живым  веществом прошлых эпох. Это главная  структурная единица биосферы, определяющая все другие процессы поверхности  земной коры. Для живого вещества характерно наличие эволюционного процесса. Генетическая информация любого организма  зашифрована в каждой его клетке. В. И. Вернадский классифицировал живое  вещество на однородное и неоднородное. Первое в его представлении –  это родовое, видовое вещество и  т. п., а второе представлено закономерными  смесями живых веществ. Это лес, болото, степь, т. е. биоценоз. Характеризовать  живое вещество ученый предлагал  на основе таких количественных показателей, как химический состав, средний вес  организмов и средняя скорость заселения  ими поверхности земного шара.

  В. И. Вернадский приводит средние цифры скорости «передачи жизни в биосфере». Время захвата данным видом всей поверхности нашей планеты у  разных организмов может быть выражено следующими цифрами (сутки):

  Бактерия  холеры 1,25

  Инфузория 10,6 (максимум)

  Диатомовые 16,8 (максимум)

  Зеленый 166-183 (среднее) планктон

  Насекомые 366

  Рыбы 2159 (максимум)

  Цветковые растения 4076

  Птицы (куры) 5600-6100